神器一百九十毫米
范文一：对于电力电子系统的分析与仿真本科毕业设计
对于电力电子系统的分析与仿真
目 录
1 绪论 ........................................................ 1 1.1 课题的背景及意义 ............................................... 1 1.1.1 我国能源状况 ................................................. 1 1.1.2 电力电子技术的应用 ........................................... 2 1.1.3 国内外电力电子技术发展概况 ................................... 3 1.2 计算机仿真的意义 ............................................... 5
1.3 本论文研究的主要内容 ........................................... 6
2 SIMULINK模型库及使用 .......................................... 7 2.1 SIMULINK的模块库介绍 . .......................................... 7 2.2 电力系统模块库的介绍 ........................................... 7
2.3 SIMULINK仿真的步骤 . ............................................ 8
3 交流 -直流变流器 . ............................................. 10 3.1 单相半波可控整流电路 .......................................... 10 3.1.1 电路结构与工作原理 .......................................... 10 3.1.2 单相半波可控整流电路建模 .................................... 10 3.1.3 仿真与分析 .................................................. 11 3.2 单相桥式全控整流电路 .......................................... 16 3.2.1 电路结构与工作原理 .......................................... 16 3.2.2 单相桥式全控整流电路建模 .................................... 17 3.2.3 仿真与分析 .................................................. 17 3.3 三相桥式全控整流电路 .......................................... 22 3.3.1 电路图及工作原理 ............................................ 22 3.3.2 建立仿真模型 ................................................ 22
3.3.3 仿真结果分析 ................................................ 23
4 直流 -直流变流器 . ............................................. 37
4.1 直流降压变流器 ................................................ 37 4.1.1 电路图及工作原理 ............................................ 37 4.1.2 建模与仿真 .................................................. 37 4.2 直流升压变流器 ................................................ 40 4.2.1 电路图及原理 ................................................. 40
4.2.2 建模与仿真分析 .............................................. 40
5 直流 -交流变流器 . ............................................. 43 5.1 电路原理图 .................................................... 43 5.2 建立仿真模型 .................................................. 43
5.3 仿真结果 ...................................................... 46
6 交流 -交流变流器 . ............................................. 48 6.1 单相交流调压器仿真 ............................................ 48 6.1.1 电路图及原理 ................................................ 48 6.1.2 仿真分析 .................................................... 48 6.2 三相交流调压器仿真 ............................................ 51 6.2.1 电路原理图 .................................................. 51
6.2.2 建模及仿真 .................................................. 52
7 结论 ....................................................... 57 参考文献 ...................................................... 58 致 谢 . ........................................................ 59
1 绪论
1.1 课题的背景及意义
1.1.1 我国能源状况
近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点, 各国都在从 自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。 对我国来说, 由于人均能源资源短 缺(尤其是油、气、水) ,环境容量(亦是资源)有限,西部生态脆弱,这个问 题尤为严重, 它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息 息留有生存空间。近年来,我国 GDP 每年以 10%的速度发展,能源消耗急剧增 加,环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为 继,实际上已造成当前十分严重的、 不可逆转的后果, 大自然的惩罚已经不断地 凸现出来,并还要继续加重。
我国能源资源丰富多样, 虽然总储量比较大,但人均能源资源很少。中国自 然资源总量排世界第七位, 能源资源总量约 4万吨标准煤居世界第三位。 中国煤 炭保有储量为 10024.9亿吨,但经查可采储量只有 893亿吨(世界煤炭储量为 1万多亿吨,储采比为 219年。储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印 度、德国、南非、波兰。其中美国的储量比中国大一倍以上,除中国外,其余 6国的储采比均在 210年以上,中国若保持原开采强度,储采比不足百年) ,石油 的资源量为 930亿吨,天然气的资源量为 38万亿立方米,现已探明的石油和天 然气储量只占资源量的约 20%和约 6%,仅够开采几十年(全世界石油剩余可采 储量仅为 1409亿吨,储存比为 41。第 15届世界石油大会认为上述石油资源的 探明程度为 79%, 因此, 不可能再找到足够大的石油资源了, 石油短缺将不可避 免地在下个世纪出现。 ) ;煤层气资源量为 35万亿立方米,相当于 450亿吨标准 煤, 排世界第三位, 但尚未成规模开发利用。 因此, 我国常规能源资源并不丰富, 应建立正确的 “ 资源意识 ” ,并具有相应的 “ 忧患意识 ” 。
另一方面,我国的能源消费结构不合理,能源效率低,浪费严重。我国目前 的能源效率是 31.2%,比发达国家低 10个百分点,落后 20年。由于管理和技术 水平落后以及价格、 税收政策不完全合理, 导致我国能源开发利用上的严重浪费。 能源的经济效益很低, 每产生 1万美元产值所消耗的能源是美国的 3倍, 是日本
的 7.2倍,也远高于巴西和印度等发展中国家 [2]。
能源紧张问题的解决是多方面的, 重要的一点就是开源节流。一方面,加大 对传统能源的勘察力度, 加大对新能源的寻找力度; 另一方面, 在能源消费方面, 提倡节约,用先进的技术改造传统落后的生产设备与工艺,降低能源消耗, 提高 能源效率,使我国产业结构向低消耗、 高产出的方向转变, 以促进我国经济的可 持续发展。
1.1.2 电力电子技术的应用
电力电子技术是建立在电子学、电工原理和自动控制三大学科上的新兴学 科。是对电能进行变换和控制线代工业电子技术,内容主要包括电力电子器件、 电力电子电路和电力电子装置及其系统。 近年来, 功率变流技术得到了迅猛发展, 经过变流技术处理的电能在整个国民经济的耗电量中所占比例越来越大, 成为其 他工业技术发展的重要基础。电力电子技术应用非常广泛,举例如下:
(1)电气传动
电力电子技术是电动机控制技术发展的最重要的物质基础, 电力电子技术的 迅猛发展促使电动机控制技术水平有了突破性的提高。 利用整流器或斩波器获得 可变的直流电源, 对直流电动机电枢或励磁绕组供电, 控制直流电动机的转速和 转矩, 可以实现直流电动机变速传动控制。 利用逆变器或交 — 交直接变频器对交 流电动机供电,改变逆变器或变频器输出的频率和电压、电流,即可经济、有效 地控制交流电动机的转速和转矩,实现交流电动机的变速传动。
交流电动机的变频调速在电气传动系统中占据的地位日趋重要, 已获得巨大 的节能效果。 变频器是实现交流变频调速的重要环节。 变频器电源主电路均采用 交流 — 直流 — 交流方案。 工频电源通过整流器编程固定的直流电压, 然后由大功 率晶体管或 IGBT 组成的 PWM 高频变换器,将直流电压逆变成电压、频率可变 的交流输出, 电源输出波形近似于正弦波, 用于驱动交流异步电动机实现无级调 速。
(2) 电源
工业和社会的各个领域需要不同种类的电源。例如,近年来以 P-MOSFET 和 IGBT 为主开关元件组成的逆变焊机取得了实质性进展。
不间断电源(UPS )被广泛的应用于计算机、通信、仪器设备、各种微电子
系统及公共场所。
(3) 电网进化技术
近年来,随着电力电子装置的应用与普及,电网波形畸变日趋严重。传统的 无源滤波方法难以应付日益严重的电网 “ 公害 ” 。 人们从电力电子技术本身找到了 解决的途径,这就是有源滤波器。
(4) 电力系统应用
高压直流输电 (HVDC ) —— 在输电线路的送端将工频交流变为直流, 在受 端再将直流变回工频交流。高压直流输电从根本上解决了输电系统的稳定性问 题,减少了线路的武功消耗,实现了远距离、大功率高压直流输电。在高压直 流输电系统中,它需在线路两端设置整流、逆变及无功补偿装置。
综上所述,电力电子技术已经渗透到航天、国防、工农业生产、交通、文 教卫生、办公室自动化乃至于家庭的任何角落。伴随着器件与变流电路的进步, 电力电子技术的应用领域也将会有新的突破 [4]。
1.1.3 国内外电力电子技术发展概况
电力电子技术就是采用功率半导体器件对电能进行转换、 控制和优化利用的 技术,它广泛应用于电力、电气自动化及各种电源系统等工业生产和民用部门。 电子器件的特点之一就是开关控制, 通态压降接近零,本身电耗小,与微机 控制组成系统后,在对电能进行控制变换和调节的过程中都处于最高效率状态, 因此,具有明显的节能效果。 电力电子器件的发展大体分为三个阶段, 从上世纪 50年代的半控器件可控硅 SCR(Semi-Conductor Rectifier), 发展到上世纪 80年代 以后的全控器件 GTO(Gate Turn-off thyristor) 、 GTR(Giant Transistor) 、 POWER MOSFET(Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 直至现在的第 三代电力电子器件 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、 IGCT(Integrated Gate Commucated Thyristor) 、 SIT(Static Induction Transistor) 、 MCT(MOS Controlled Thyristor) 、 SITH(Static Induction Thyristor) 等。其发展趋势是电力电子器件的功 率越来越大,开关频率越来越高。
由电力电子器件构成的电力电子电路有 AC-DC 、 DC-DC 、 DC-AC 、 AC-AC 四种类型,可以进行变流、能量变换、变频,主要用于电机调速和电源系统。除 工业上的轧机、矿井卷扬机、机床、造纸用电机的调速外,风机、水泵电机调速
可节约大量电能。在电源领域,电解、电镀和冶金用大电流直流电源,电炉、电 磁搅拌机及热处理用的低频、中频、 高频交流电源, 焊机电源和各种控制电源应 用了电力电子技术后,节能效果显著,并大大减少了对原材料的消耗。
电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、 逆变器时代和变频器时代, 并 促进了电力电子技术在许多新领域的应用。 20世纪 80年代末期和 90年代初期发展 起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT 为代表的、集成频高压和大电流于一身的功率 半导体复合器件表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
变流电路的基本功能是实现电能形式的转换。 其基本形式有四种:整流电路、 逆变电路、调压电路、斩波电路,如图 1.1所示。
图 1.1 变流电路基本形式
将交流电能转换为直流电能的电路, 称为整流电路。 由电力二极管可组成不 可控整流电路。 以往使用最方便的整流电路微晶闸管相控整流电路, 其具有网侧 功率因数低、谐波严重等缺点。由全控型器件组成的 PWM 整流电路具有高功率 因数等优点,近年来得到进一步发展与推广,应用前景广泛。
将直流电能转换为交流电能的电路, 称为逆变电路。 逆变电路不但能使直流 变成可调的交流,而且可输出连续可调的工作频率。
将一种直流电能转换成另一固定电压或可调电压的直流电的电路, 称为斩波 电路或 DC-DC 变换电路。斩波电路大都采用 PWM 控制技术。
将固定大小和频率的交流电能转换为大小和频率可调的交流电能的电路, 称 为调压电路或交流变换电路。交流变换电路可分为交流调压电路和交 -交变频电 路。交流调压电路在维持电能频率不变的情况下改变输出电压幅值。交 -交变频
电路亦称为周波变换器,它把电网频率的交流电直接变换成不同频率的交流电。 近年来, 以电力电子器件为基础的电气传动技术发展很快, 从而为电机变频 调速系统的开发和研制提供了先进的物质基础, 给工业、 民用业带来了无限的生 机和活力,给国家节约了大量的能源,而且减少了环境污染。
国际上自 80年代变频调速器取得技术突破后,在许多领域得到广泛应用。 比较有名的厂家主要有美国的罗宾康 (ROBICON)公司、罗克韦尔 (ROCKWELL)自动化 AB 公司、 GE 公司,德国的西门子 (SIEMENS)公司,瑞士的 ABB 公司及 法国 AISTOM 公司等。由于电力电子技术的迅速发展,新的电力电子器件的出 现以及现代控制理论方法在调速控制系统中的应用,变频器仍处于不断完善中。 我国电机驱动系统的能源利用率非常低, 在电机能耗中, 高压电机的能耗超 过了 70%, 因而电机的节能得到了政府和企业的广泛关注。 在电机领域, 一些发 达国家采用变频调速率已高达 70%,而中国只有 10%左右。因此,高压变频器 市场发展前景十分广阔。
1.2 计算机仿真的意义
所谓仿真 (simulation)指的是利用模型再现实际系统中发生的本质过程, 并且 通过上述模型的试验来研究已存在的或计划中的系统。 换句话说, 仿真就是利用 模型对实际系统进行实验研究的过程。
计算机仿真可以分为两个过程:建模与实验。所谓建模,就是根据研究对象 的基本物理规律,对物理系统写出其运动规律的数学方程,即数学模型的过程。 在建模过程中, 数学模型代表的数学系统是实际系统在概念轴上的投影; 建模的 本质在于将所研究的系统投影到适当的概念轴上。 换句话说, 所建立的数学模型, 实际上只是根据研究目的确定的模型,是对系统某一方面本质属性的抽象描述。 所谓实验就是利用模型对系统方程进行求解。 对于数学仿真而言, 其过程就是利 用适当的程序语言将所研究的物理系统的数学模型编制成程序, 并向其输入不同 的条件进行计算的过程。
目前在电力电子设计领域使用的仿真软件大体可以分为以下几类:一类是通 用电路仿真软件,例如 Spice , SABE 等;另一类是专用仿真软件,例如电力系 统仿真软件 EMTP 和控制系统仿真软件 MATLIB 等;第三类是专门为电力电子 系统设计的仿真软件,例如为开关电源设计用的 SIMPLIS 等 [5]。
总之, 利用计算机仿真的方法设计电力电子电路, 可以提高设计工作的效率 和质量。 此时设计者可以将精力集中在设计而不是各种计算上, 并且可以在硬件 没有建立之前对系统进行研究、 优化和对设计进行验证, 进而为搭建成的硬件系 统的试验与测试提供指导和帮助。 当然研究人员也应当清楚地了解运用各种仿真 工具进行设计的局限性,避免导致错误的推断与设计 [8]。
1.3 本论文研究的主要内容
本论文运用 MATLAB 软件对电力电子系统的运行状态进行仿真分析得出仿 真曲线,包括整流、逆变、交流调压、直流变换等。
具体内容有以下几项:
(1) 整流电路的仿真用 powersys 模型库中的二极管和晶闸管等模块来构建, 对三相整流电路模型库中有 6-pulse diode bridge 、 6-pulse thyristor bridge 、 universal bridge 等模块调用。
(2)直流 -直流变流器用于调整直流电的电压,它有多种类型,本论文主要介 绍降压 ( Buck)变流器、升压 (Boost) 变流器和桥式 (H 型 ) 直流变流器的仿真。 (3)用 SIMULINK 模块仿真三相电压源型 SPWM 逆变器,使用模型库的多 功能桥模块 (Universal Bridge) 和 PWM 脉冲发生器 (PWM Generator) 来实现。 (4) 典型的三相交流调压器有星型连接和三角形联结的多种方案。其中星型 联结又有无中线和有中线两种电路, 三角形联结有线路控制, 支路控制和中点控 制的不同电路。 这里主要研究两种常用的无中线星形联结和支路控制三角形联结 线路,建立其 Simulink 模型,分别对其电阻负载和电感负载在不同触发角度时 进行仿真,分析其仿真波形。
2 SIMULINK模型库及使用
MATLAB 的 SIMULINK 是很有特色的仿真环境, 在此环境中, 可以用点击 拖动鼠标的方式绘制和组织系统或电路,并完成对系统和电路的仿真。原来的 MATLAB 仿真编程是在文本窗口中进行的,编制的程序是一行行的命令和 MATLAB 函数,不直观也难以与实际的物理系统或电路建立形象的联系。在 SIMULINK 环境中,系统的函数和电路元器件的模型都用框图来表达,框图之 间的连线则表示了信号流动的方向。 我们只要学习图形界面的使用方法和熟悉模 型库的内容, 就可以很方便地使用鼠标和键盘进行系统和电路的仿真。 MATLAB 的工具箱已经有极其丰富的内涵, 现在主要介绍系统仿真 (SIMULINK) 和电力系 统 (Power System Block) 两个模块库。
2.1 SIMULINK的模块库介绍
整个 Simulink 模块库是由各个模块组构成, 标准的 Simulink 模块库中, 包 括:信号源模块组 (Source)、仪器仪表模块组 (Sinks)、连续模块组 ( Continuous)、 离散模块组 (Discrete)、数学运算模块组 (Math)、非线性模块组 (Nonlinear)、函数 与表格模块组 (Function&Tables )、信号与系统模块组 (Signals&Systems)和子系统 模块组 (Subsystems)几个部分,此外还有和各个工具相与模块集之间的联系构成 的子模块组,用户还可以将自己编写的模块组挂靠到整个模型库浏览器下。 2.2 电力系统模块库的介绍
进入 MATLAB 系统后打开模块库浏览窗口,用鼠标左键双击其中的 Power System Blocks即可弹出电力系统工具箱模块库, 它包括连接元件库 (Connectors), 电源库 (Electrical Sources),基本元件库 (Elements),元件库 (Extra Library),电机 元 件 库 (Machines), 测 量 元 件 库 (Measurements)和 电 力 电 子 元 件 库 (Power Electronics) 。 这些模块库包含了大多数常用电力系统元件的模块。 利用这些库模 块及其它库模块,用户可方便、直观地建立各种系统模型并进行仿真。
(1)电路元件模型
该部分包括断路器(Breaker) 、分布参数线 (Distribute Parameter Line)、线性 变压器 (Linear Transformer)、 并联 RLC 负荷 (Parallel RLC Load), II 型线路参数 (II Section Line) 、饱和变压器 (Saturable Transformer) 、串联 RLC 支路(Series RLC Branch) 、串联 RLC 负荷 (Series RLC load) 、过电压自动装置(Surge Arrester) 。
这部分可以仿真交流输电线装置。
(2)电力电子设备模型
此部分含有二极管 (Diode) 、 GT0、 理想开关 (Ideal Switch)、 MOS 管 (Mosfet)、 可控晶闸管 (Thyristor)的仿真模型。这些设备模型不仅可以单独进行仿真而且可 以组合在一起仿真整流电路等直流输变电的电力电子设备。
(3)电机设备模型
此部分有异步电动机 (Asynchronous Machine)、励磁系统 (Excitation System)、 水轮电机及其监测系统 (Hydraulic Turbine and Governor(HTG))、永磁同步电机 (Permanent Magnet Synchronous Machine) 、 简 化 的 同 步 电 机 (Simplified Synchronous Machine)、 同步电机 (Synchronous Machine)。 这些模型可以仿真电力 系统中发电机设备,电力拖动设备等。
(4)接线设备模型
这一部分包括一些电力系统中常用的接线设备。 如接地设备、 输电线母线等。 (5)测量设备模型
该部分模型是用来采集线路的电压或电流值的电压表和电流表。这 一部分 还起着连接 SIMULINK 模型与 POWERLIB 模型的作用。
(6) Powerlib 扩展库
扩展模块组包含了上述各个模块组中的各个附加子模块组用户可以根据自 己的电力系统结构图使用 POWERLIB 和 SLMULINK 中相应的模型来组成仿真 的电路模型。
2.3 SIMULINK 仿真的步骤
利用 SIMULINK 环境仿真一个系统的过程基本上可以分为如下几个步骤 : (1) 根据要仿真的系统框图, 在 SIMULINK 窗口的仿真平台上构建仿真模 型。此过程要首先打开 SIMULINK 窗口和模型浏览器,将需要的典型环节模块 提取到仿真平台上,然后将平台上的模块一一连接,形成仿真的系统框图。 一个 完整的仿真模型应该至少包括一个源模块 ( Sources) 和一个输出模块 ( Sinks) 。 (2)设置模块参数。完成模块提取和组成仿真模型后,需要给各个模块赋 值。这时,用鼠标双击模块图标,弹出模块参数对话框,并在对话框中输入模块 参数,输入完成后点击 OK 按钮,对话框自动关闭,该模块的参数设置完成。 (3)设置仿真参数。在对绘制好的模型进行仿真前,还需要确定仿真的步
长、时间和选取仿真的算法等,也就是设置仿真参数。设置仿真参数可点击 SIMULINK 窗口的菜单上的 Simulation ,在下拉的子菜单中点击 Simulation Parameters 命令或用键盘中的 Ctrl + E 键。这时弹出仿真参数设置的对话框,对 话框中有 Solver 、 Workspace I/O Diagnostics 、 Advanced 和 Real-Time Workshop5 大项内容, 其中最常需设置的是解算器 “ Solver ” 。 其中仿真时间 (Simulation time) 有开始时间 (Start time) 和终止时间 (Stop time) 两项, 连续系统中仿真时间一般从 零开始, 可以先预设一个仿真的终止时间, 在仿真过程如果预设的时间不足, 可 以即时修改。算法选择 (Solver options) 中计算类型 (Type) 有可变步长
( Variablestep)和固定步长 (Fixed-step) 两种,在可变步长和固定步长下还有多种 数值计算方法可供选择。该栏中经常还要设置的有仿真误差,这有相对误差 (Relative tolerance) 和绝对误差 (Absolute) tolerance) 两项,系统默认的相对误差 1/1000。选择合适的计算误差,对仿真的速度和仿真计算能否收敛影响很大,尤 其在仿真不能收敛时,适当放宽误差可以取得效果,绝对误差一般可取“自动 (auto) ”。
(4) 启动仿真。 设置仿真参数和选择解法器之后, 就可以启动仿真而运行。 选择 Simulink 菜单下的 start 选项来启动仿真,如果模型中有些参数没有定义, 则会出现错误信息提示框。 如果一切设置无误, 则开始仿真运行, 结束时系统会 发出一鸣叫声。
3 交流 -直流变流器
交流 -直流变流器又称整流器、 AC-DC 变流器,其作用是将交流电转变为 直流电, 一般也称整流, 并且在整流的同时还对直流电压电流进行调节, 以符合 用电设备的要求。 常用的整流器有单相和三相整流器, 从控制角度区分, 有不控、 半控和全控整流电路之分, 从输出直流的波形来区分, 又有半波和全波整流之分。 二极管、 晶闸管是常用的整流器件, 现在采用全控型器件的 PWM 方式整流器也 越来越多。整流电路的仿真可以用 powersys 模型库中的二极管和晶闸管等模块 来构建,对三相整流电路模型库中有 6-pulse diode bridge 、 6-pulse thyristor
bridge 、 universal bridge 等模块可以调用, 使用这些模块可以使仿真更方便。 复 杂的大功率多相整流器可以在三相桥的基础上构建。 这里主要介绍常用的单相和 三相的相控整流电路的仿真。
3.1 单相半波可控整流电路
3.1.1 电路结构与工作原理
单相半波可控整流电路原理图如图 3.1所示,电路由交流电源 1u 、整流变压 器 T 、晶闸管 VT 、负载电阻 R 以及触发电路组成。在变压器二次侧电压 2u 的正 半周触发晶闸管 VT ,则在负载上可以得到方向不变的直流电,改变晶闸管的控 制角可以调节输出直流电压和电流的大小。
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图 3.1 单相半波可控整流电路原理图
3.1.2 单相半波可控整流电路建模
(1)建立一个新的模型窗口,打开电力电子模块组,复制一个晶闸管到模 型窗口中;打开晶闸管参数设置对话框,设置 Ron=0.001Ω, Lon=0H, Uf=0.8V; Ic=0A, Rs=10Ω, Cs=4.7e-6F。
(2)打开电源模块组,复制一个电压源模块到模型窗口中,打开参数设置 对话框,设置为:幅值 50V ,初相位 0,频率是 50HZ 的正弦交流电。
(3)打开元件模块组,复制一个串联 RLC 元件模块到模型窗口中,打开参 数设置对话框,按仿真要求设置参数。
(4)打开测量模块组,复制一个电压测量装置以测量负载电压。
(5)打开测量模块组,复制一个电流测量装置以测量负载电流。
(6)打开 Sinks 模块组 , 复制一个示波器装置以显示电路中各物理量的变化 关系,并按要求设置输入端口的个数。
(7) 建立给晶闸管提供触发信号的同步脉冲发生器 (Pulse Generater) 模型。 参数设置为:脉冲幅值为 10V ,周期为 0.02s ,脉宽占整个周期的 30%,相位延 迟(1/50) *(60/360) s=1/300s(即 α=60°) 。
(8)适当连接后,可以得到仿真电路。如图 3.2所示:
图 3.2 单相半波可控整流电路(电阻性负载)仿真电路图
3.1.3仿真与分析
下列所示波形图中, 波形图分别代表电源上的电压、负载上的电压、晶体管 VT 上的电流和电压。下图分别是延迟角 α为 30°、 60°、 90°、 120°时电阻性负载 及阻感性负载的波形变化。
(1) 当延迟角 α=30°时,波形图如图 3.3、图 3.4所示:
图 3.3 α=30°单相半波可控整流电路(电阻性负载)波形图
图 3.4 α=30°单相半波可控整流电路(阻 — 感性负载)波形图 (2) 当延迟角 α=60°时,波形图如图 3.5、图 3.6所示:
图 3.5 α=60°
单相半波可控整流电路(电阻性负载)波形图
图 3.6 α=60°单相半波可控整流电路(阻 — 感性负载)波形图 (3) 当延迟角 α=90°时,波形图如图 3.7、图 3.8所示:
图 3.7 α=90°单相半波可控整流电路(电阻性负载)波形图
图 3.8 α=90°单相半波可控整流电路(阻 — 感性负载)波形图 (4) 当延迟角 α=120°时,波形图如图 3.9、图 3.10所示:
图 3.9 α=120°单相半波可控整流电路(电阻性负载)波形图
图 3.10 α=120°单相半波可控整流电路(阻 — 感性负载)波形图
由图可见, VT 导通时,相当于短路其两端电压为零,有电流通过, VT 关断 时,电流为零,所受电压最大值为电源电压峰值。 VT 的 α移相范围为 180 。
由上图波形还可以看出电阻负载时:该电压和电流都是脉动的直流, 反映了 电源的交流电经过整流后成为了直流电,实现了整流。因为是电阻负载整流后, 电压与电流成正比, 两者波形相同。 电压的幅值 R U =311V,电流的幅值 R I =31.1A,
与计算结果 R I =R U /R相同。
其输出直流电压:
()V U U d 4. 92230cos 122045. 02
cos 145. 02=÷+??=+= α (式 3.1)
与仿真输出直流电压值相同。
由于在实际生活中有很多负载是电感性负载, 如直流电动机的绕组、 电磁离 合器的线圈、电磁铁等,它们既含有电阻又含有电感,且电感量较大。由于电磁 感应作用,当通过电感元件 L 的电流发生变化时,在电感中产生阻碍电流变化 的感应电动势,将使电流的变化总是滞后于外加电压的变化。因此, 可控整流电 路带有电感性负载时,其工作情况与电阻性负载不同。
3.2 单相桥式全控整流电路
3.2.1 电路结构与工作原理
单相桥式全控整流电路 (电阻性负载)是典型单相桥式全控整流电路,共用 了四个晶闸管,两只晶闸管接成共阳极, 两只晶闸管接成共阴极, 每一只晶闸管 是一个桥臂, 桥式整流电路的工作方式特点是整流元件必须成对以构成回路, 负 载为电阻性。
与单相半波整流电路仿真波形相比较, 输出的电压和电流波形频率都提高了 约一倍,流过每个晶闸管的平均电流 Idt 只有负载平均电流的一半。变压器二次 侧电流 I2的波形是对称的正负矩形波,而晶闸管承受的最大正反向电压则和单 相半波可控整流电流一样。
单相桥式全控整流电路电路图如图 3.11所示:
R
id
图 3.11 单相桥式全控整流电路
工作原理:
VT1和 VT4组成一对桥臂, 在 u 2正半周承受电压 u 2, 得到触发脉冲即导通,
当 U 2过零时关断。
VT2和 VT3组成另一对桥臂, 在 u 2负半周承受电压 -u 2, 得到触发脉冲即导 通,当 u 2过零时关断。
3.2.2 单相桥式全控整流电路建模
单相桥式全控整流电路仿真电路图如图 3.12所示:
图 3.12 单相桥式全控整流电路仿真电路图
3.2.3 仿真与分析
波形图分别代表晶体管 VT 上的电流、 晶体管 VT 上的电压、 电源输出电流、 负载电流、负载电压。下列波形分别是延迟角 α为 30°、 60°、 90°、 120°时的波 形变化。
(1) 当延迟角 α=30°时,波形图如图 3.13、图 3.14所示:
图 3.13 α=30°单相桥式全控整流电路(电阻性负载)波形图
图 3.14 α=30°单相桥式全控整流电路仿真结果(阻 -感性负载时)波形图 (2) 当延迟角 α=60°时,波形图如图 3.15、图 3.16所示:
范文二：电力系统本科毕业设计
前言
电力系统应该保证对各类用户尽可能经济的提供可靠而合乎质量标准要求的电能，即满足负荷的要求。
负荷的大小与特征，无论是对电力系统设计还是对运行管理而言，都是极为重要的因素。对负荷变化与特征有一个事先的估计，即电力系统负荷预测，是电力系统发展与运行研究的重要内容，电力系统负荷预测理论就是这样发展起来的。在现代电力系统工程科学中它已经成为占有重要地位的研究领域，是电力系统自动化领域中的一个重要内容。电力系统规划和调度运行都应以对未来电力系统负荷的预测为依据，电力负荷预测是电力系统规划、调度的重要组成部分。
电力系统负荷预测的重要性在于：系统的可用发电容量，在正常运行的条件下，应当在任何条件下都满足系统内负荷的要求。假如系统内的容量不够，就应该采取必要的措施来增加发电容量，如新增发电机或从邻网输入必要的电力；反之，如发电容量过剩，也应该采取必要的措施，如有选择的停机或向邻网输出多余的功率。因此，未来电网内负荷变化的趋势与特点，是电网规划设计部门和调度部门所必须具有的基本信息之一，负荷预测是电网规划十分重要的前提和基础，负荷发生变化时，规划中要建设的电源和电网项目在容量、规模和进度等方面均要受到影响并发生相应的变化，这种影响和变化往往对电网的规划和设计带来十分被动的局面。
目前我国正是计划经济转型向市场经济的大发展阶段，随着用电环境的宽松，和电力紧张的现状，电力市场的作用和和影响明显增大，负荷预测是分析电力市场的一项基础工作，直接影响到电力系统的安全、稳定、经济运行，也影响电力企业的经济效益，因此，准确的作好电力系统的负荷预测这项工作具有十分重要的意义。
邢台地区电力负荷预测
1邢台市电力发展概况
1. 1 邢台市概况
邢台市位于河北省南部，为地级市。辖2个县级市、15个县和2个区，173个乡镇办事处，5212个行政村，总面积12486平方公里, 总人口670万人（其中市区人口54.6万人）。邢台地理环境优越，交通发达，通讯快捷，京广、京九铁路、京深高速公路贯穿南北，邢济（南）、邢和（顺）、邢长（治）公路横穿东西。全市形成了铁路、公路纵横交错，连接全国各地的交通运输网络。改革开放以来，邢台市工业经济得到了迅猛发展，初步形成了煤炭、机械、冶金、电力、纺织、食品、建材等为支柱行为，以原煤、电力、生铁、钢材、轧辊、浮法玻璃、水泥、轮胎、板式家具、电缆、绒布、装饰布、羊绒及制品、白酒、饮料、方便面、中成药、拖拉机、化肥等上百种名优骨干产品构筑的产品产业结构构框架，形成了较为完善的工业体系。到目前全国有及销售收入500 万元以上的工业企业676家，其中国有企业187家，大中型企业82家，国有大中型企业54家，全部从业人员210.78万人，入统企业总资产3420099万元，固定资产余额1503342万元，资产负债率为54.9%。
近年来，综合考评邢台市工业经济整体实力居全省前5名。到2000年9月底，邢台市入统企业完成工业增加值577316万元，同比增长11%， 实现利税184514万元，同比增长19.7%，实现利润96830万元，同比增长25.6%，国有及其它类型技改投资完成117417万元，同比增长11.95%，迈入新世纪，按照“十五”工业经济发展计划，今后重点发展原材料基础行业、食品行业和纺织行业，以此带动相关行业发展。
1. 2 邢台市用电特点
1.2.1 工业企业用电特点
近年来，随着市场的高速发展，对邢台的工业结构调整产生巨大影响。邢台过去只有少数几个大、中型国营企业；到20世纪90年代初，以个体加工业为主的家庭作坊式企业兴起，成了工业用电的主流，但整个用电量并不大，全社会用电量也仅有2亿kW·h ；到20世纪90年代末，大批完成资本积累的邢台商人开始转投工业，使邢台用电结构发生根本性的变化，工业用电开始大幅度增长；到新世纪初，市政府大力兴建工业园区，一批大、中型企业的出现，邢台的工业用电量年增长率平均都高达40％左右，全社会用电量年平均增长率达30％以上。到2001年，全社会用电已达12．5亿kW·h ，工业用电占65％；其中生产较为稳定的大中型企业比例也在逐年上升，占工业用电量的60％，用电稳定性较低的占40％。所以对工业用电预测是整个负荷预测工作的基石。
1.2.2 市政生活及照明用电特点
随着邢台市人民生活水平的提高，空调、冰箱等电器的普遍使用，市政生活用电已成为用电结构中重要组成部分。照明用电虽然电量不多，但负荷占尖峰时间内的比重较大，对系统负荷综合曲线有决定性影响，从预测角度来说，只和光照度有关，负荷总量基本上是固定的，只是根据光照度和时间产生一块较为固定的负荷，累加在负荷曲线上，相对比较稳定，容易预测。市政生活用电影响最大的因素是气温，而空调、冰箱等电器的使用，频率最高点在气温零下1～3℃以下或32℃以上。从而加大了用电负荷。
2邢台地区负荷预测方法的选用
2.1 负荷预测的含义
负荷是指电力需求量或者用电量，而需求量是指能量的时间变化率，即功率，而用电量是指某一电网内用户在一段时间内的用电总量。也就是说，负荷是指发电厂、供电地区或电网在某一瞬间所承担的总功率或某一电网某一段时间内的用电总量。所谓负荷预测，是指在充分考虑一些重要系统运行特性、增容决策和自然条件的情况下，利用一套系统地处理过去和现在负荷的方法，在一定精度意义下，估计未来某个特定时刻或某个特定时期的负荷值。
2.2 电力负荷预测的分类
电力负荷可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以及其它负荷 。城市民用负荷主要是城市居民的家用负荷。商业负荷与工业负荷是各自为商业与工业服务的负荷。在我国，农村负荷是指广大农村的所有的负荷（包括农村村民用电、生产与排灌用电以及商业用电等） 而其它负荷则包括市政用，电（如街道照明）、公用事业、政府办公、铁路与电车、军用以及其它等。在以上各类负荷中，城市居民用电具有经常的年增长以及明显的季节性波动特点，而居民负荷的季节性变化在很多情况下直接影响系统峰值负荷的季节性变化，但其影响程度则取决于城市居民负荷在系统总负荷中所占的比重。由于敏感于气候的家用电器日益广泛的采用，居民负荷变化对系统峰值变化的影响将越来越大。商业负荷也同样具有季节性变动的特性，而这种变化主要也是由于商业部门越来越广泛的采用空调、电风扇、制冷设备等敏感于气候的电器所致，并且这种趋势正在增长。相对来说，工业负荷一般都是受气候影响较小的基础负荷。但是这并非说它不受气候的影响，例如在高温季节，工业负荷也将含有为降温和防暑所必须的耗电。负荷预测按时间可划分为：
1) 超短期负荷预测 预测的时间为几分钟、15 分钟、30 分钟或 60 分钟，主要用于电力市场的实时调度与经济运行。
2) 短期预测 预测的时间为时、日、周、月、年，主要用于确定电力系统的运行方式以及为市场上的期货、现货交易提供决策依据。
3) 中期预测 预测的时间为 3～5 年，主要用于电网的扩建规划、制定电力系统的长期运行方式。
4) 长期预测 预测的时间为 5～20 年，主要用于电力系统的远景规划[14]。
2.3 负荷预测研究状况
电力负荷预测是电力系统调度、用电、计划和规划等管理部门的重要工作之一。负荷预测的核心问题是预测的技术方法，或者说是预测的数学模型。随着现代科学技术的快速发展，负荷预测技术的研究也在不断深化，各种各样的负荷预测方法不断涌现，从经典的单耗法、弹性系数法、统计分析法到目前的灰色预测法、专家系统法、模糊数学法、人工神经网络法、优选组合法以及小波分析法。值得特别提出的是，日本电力中央研究所多年来一直致力于研究开发电力需求计量经济模型，为日本九大电力公司提供需求预测服务，取得了很好的效果。1994年，中国电力企业联合会和日本电力中央研究所开始合作，研究适应中国国情的电力需求计量经济模型。
2.4 邢台地区预测方法的选用
基于上述方法：
如表2-1负荷变化大。1996~2005年7月，平均网供最大负荷为1043万kW·h ，平均最大日供电量2236万kW·h ；但在春节，低谷时平均网供负荷最低仅为259万kW·h ，说明邢台市受工业产品生产的季节性调整的影响，以及气候的影响，全年用电起伏较大，每月电量见（图2-1）
表2-1
图2-1
由于一个地区的用电量及负荷状况不仅与它的供电机组、电网容量、生产能力、经济发展及大用户情况有直接关系，而且也与该地区的行政与管理政策的变化、天气状况、文化状况以及生活习惯等因素有关。这些因素组成了一个灰色系统（即部分信息已知，部分信息未知的系统），所以在对邯郸地区的需电状况进行预测分析时，采用了灰色预测与多元线性回归相结合的预测方法。下面就简单的介绍一下这两种方法。
3电力负荷预测理论
3.1 电力负荷中期预测法
3.1.1 灰色系统基本预测理论
3.1.1.1 基本原理
系统是指相互依赖的两个或两个以上要素所构成的具有特定功能的有机整体。系统可以根据其信息的清晰程度，分为白色、黑色和灰色系统。白色系统是指信息完全清晰可见的系统；黑色系统是指信息完全未知的系统；灰色系统是介于白色和黑色系统之间的系统，即部分信息已知、部分信息未知的系统。宇宙间大量存在的是灰色系统，严格的说，灰色系统是绝对的，而白色和黑色系统则是相对的。
运用灰色系统理论、通过建立灰色模型所进行的预测即为灰色预测。对经济、社会、农业等系统的预测属于本征性灰色系统的预测。因为这类系统没有物理原型，不清楚系统的作用机制，很难判断信息的完备性，难以对系统关系、结构作精确描述，人们只能凭逻辑推理、凭某种观念意识、凭某种准则对系统的结果、关系进行论证，然后再建立某种模型，这些模型充其量只能看作是原系统的代表、同构。
灰色系统不同于模糊系统，模糊系统内涵明确而外延模糊，灰色系统外延明确而内涵不为人们所掌握；灰色系统是基于关联度收敛原理、生成数、灰导数、灰微分方程等的观点和方法，通过建立灰色方程型模型所进行的预测，它具有如下的特点：
1) 灰色模块建模，而不直接用原始数据序列。在建模前，先对原始数据进行整理和处理，使之呈现一定的规律性，这种方法叫做生成；经过一定方式生成的新序列称之为“模块”这样做的目的是为了消除原始序列的随机性，使上下波动的时间序列转变成单调升、并带有线性或指数规律的序列。
2) 建立微分方程的动态模型。这种建模方法为本征性灰色系统的实体化、物理化找到了途径，把自然科学的试验手段移植到抽象系统。
关联分析代替回归分析。灰色系统主张按机理、按发展变化态势作特征分析，按发展态势建立关联的测度，研究关联序，以研究生成函数的逼近度、检验预测精度等。
3.1.1.2 累加和累减法
灰色预测所直接使用的不是原始数据序列，而是由原始数据序列所产生的灰色模块。这是由于原始序列中常混入随机量或噪声。在控制系统理论中，通常需要用滤波的方法来消除噪声，在灰色预测中对原始序列的处理相当于滤波的处理方法，即建立灰色模块，下面介绍建立灰色模块的两种方法累加生成系列和累减生成系列。
一：累加生序列
累加生成即通过对原始数列进行累加，生成新的数据序列，一般经过一次累加后，就可以进行建模了。
设原始序列为：
x (0)=x (0)(1), x (0)(2), , x (0)(k )
经过一次累加生成的新序列，记为1－AGO ，为： {}
x (1)=x (1)(1), x (1)(2), , x (1)(k ){}
(1)(0)()(1) x 1=x 其中：
x (1)(2)=x (0)(1)+x (0)(2)=x (1)(1)+x (0)(2)
x (1)(3)=x (0)(1)+x (0)(2)+x (0)(3)=x (1)(2)+x (0)(3)
(1)x 如果设(0)=0，则有：
x (1)(k )=x (0)(1)+x (0)(2)+ +x (0)(k )=x (1)(k -1)+x (0)(k )
下面举例说明之。
(0)x ={3, 2, 4, 5, 1} 例：设有原始序列为：
(0)(0)(0)(0)(0)()()()()(5)=1 x 1=3, x 2=2, x 3=4, x 4=5, x 即
(1)(0)()(1)=3 x 1=x 经过一次累加生成：
x (1)(2)=x (1)(1)+x (0)(2)=3+2=5
x (1)(3)=x (1)(2)+x (0)(3)=5+4=9
x (1)(4)=x (1)(3)+x (0)(4)=9+5=14x (1)(5)=x (1)(4)+x (0)(5)=14+1=15
分别运用原始数据序列和新数据序列所绘制的曲线图如下：
原始序列累加后序列
012345678012345678
原始序列曲线图一次累加生成的新序列曲线图
由图可以看出，原始数据序列为一不规则的波动曲线，其含随机变量，较难找出其变化规律，亦难以用解析函数来拟合。但经过一次累加生成之后所形成的序列，其曲线为上图所示。可以看出新序列有单调增的趋势，有可能用适当的函数来描述。可以想象，累加生成次数愈多，其随机性被弱化得愈显著，序列所形成的曲线其规律性将更加明显。
一般累加公式为：
x (k )=∑x (r -1)(j )=x r (k -1)+x (r -1)(k )r
j =1k （3－1）
对于经过多次累加生成序列xm ，大多数可用指数函数进行拟合，也就是说大多可以用微分方程来描述，或者说可以近似地作为微分方程的解。
二：累减生成法
经过累加之后的序列，已经失去其原来的物理意义和经济意义，故经过方程求解的结果必须还原到原序列，即通过累减得到原始序列。
下面讨论累减算法：用a(r)表示r 次累减运算算子。
a(0)表示不作累减，即a(0)x(i)= x(i)
a(1)表示一次累减，即a(1)x(i)= x(i)- x(i-1)
(0)(r )(r )()(k ) a x k =x 一般的有： []
a (1)x (r )(k )=a (0)x (r )(k )-a (0)x (r )(k -1)
a (2)x (r )(k )=a (1)x (r )(k )-a (1)x (r )(k -1)
a (j )x (r )(k )=a (j -1)x (r )(k )-a (j -1)x (r )(k -1)
式中：j ＝1，2，?，n
还可进一步导出下列关系：
a (1)x (r )(k )[][][][][][][][][][
=a (0)x (r )(k )-a (0)x (r )(k -1)[]][]a (2)x (r )(k )[
=a (1)x (r )(k )-a (1)x (r )(k -1)[]][]
=x (r )(k )-x (r )(k -1)=x (r -1)(k ) =x (r -1)(k )-x (r -1)(k -1)=x (r -2)(k )
利用数学归纳法有：
a (i )x (r )(k )=x (r -i )(k )
(i )(0)()(k ) []a x k =x 当i ＝r 时，有：[]
当i ＝r ＝1时，有：a (1)[x ()(k )]=x ()(k ) 10
利用上述公式就可以完成累加的逆运算（累减），得到原始序列。
3.1.1.3 灰色简单模型
现行的比较常用的灰色模型有：灰色简单模型、灰色新还原模型、灰色残差模型、灰色新还原残差模型、DGM 模型和费尔哈斯模型，在本节和以下的几节里我们将分别介绍。现在我们先介绍最简单的也最常用的灰色模型，即灰色简单模型，简称为GM （1，
1）模型。
一：灰色微分方程
在介绍一般的灰色模型前，我们先介绍灰色微分方程。
灰色系统理论通过对一般微分方程的深刻剖析定义了系列的灰导数，从而使我们能够利用离散数据系列建立近似的微分方程模型：
dx +ax =u dt （3－2） dx dx
其中dt 为x 的导数，x 为dt 的背景值；a ，u 为参数。
二：GM(1.1) 模型
灰色简单模型GM （1，1）表示一阶的，一个变量的微分预测模型，用于时间序列预测的是其离散形式的模型。
设原始系列为
X (0) =(x (0) (1), x (0) (2), , x (0) (n ))
其1－AGO 系列X （1）为：
X (1) =(x (1) (1), x (1) (2), , x (1) (n ))
对一阶生成数列x(1)，建立GM （1，1）模型
dx (1)
+ax (1)=u dt （3－3） dx x (t +?t ) -x (t ) =lim ?t 由导数的定义有dt ?t →0，因为一般预测的系列都在时间上是离散的，
所以我们以离散的形式表示，则有：
?x x (1) (k +1)-x (1) (k )==x (1) (k +1)-x (1) (k )=x (0) (k +1)?t k +1-k
又由于离散的关系，我们取x(1)(k)为x(1)(k)和x(1)(k-1)的均值。于是我们可以把公式（3－3）的微分方程表示为如下的离散方程：
x (0) (k ) +az (1) (k ) =u （3－4）
(1) (1) (1) z (k ) =[x (k ) +x (k -1)]/2; (k =2, 3, , n ) 。称（3－4）式为GM(1，1) 模型，其中
而把公式（3－3）的方程称为（10－4）的白化方程。这样可以得到如下的方程组：
?x (0) (2) +az (1) (2) =u ?(0) (1) ?x (3) +az (3) =u ??
?x (0) (n ) +az (1) (n ) =u ? （3－5）
三：模型参数求解
?(1) 及X ?(0) 的发展态势；式（3－2）中，a 、u 为待估参数，－a 为发展灰数，反映了X
u 为灰色作用量是从背景值挖掘出来的数据，它反映数据变化的关系，其确切内涵是灰的。灰色作用量是内涵外延化的具体体现，它的存在世区别灰色建模与一般输入输出建模的
T ?a =[a , u ]分水岭。将两个待估参数表示为向量形式：。
对于（3－3）的方程组，用最小二乘法求解，和一元线性回归的参数估计方法相同，可得
?=B T B a ()-1B T Y （3－6）
?-z (1) (2) 1??(1) ?-z (3) 1?B =?? ??(1) ???-z (n ) 1?? ，式中：
四：GM （1.1）预测 ?x (0) (2) ??(0) ?x (3) ?Y =?? ??(0) ???x (n ) ??
在求出模型的参数后，下一步的工作就是进行预测了。
式（3－3）即GM （1，1）的白化方程的解为：
u u x (1)(t )=[x (1)(0)-]e -at +a a （3－7）
它的离散形式
u u ?(1)(k +1)=[x (1)(0)-]e -ak +; (k =1, 2, , n ) x a a （3－8）
即为GM （1，1）方程的时间响应系列。一般有x(1)(0)=x(0)(1),则：
u u ?(1)(k +1)=[x (0)(1)-]e -ak +; (k =1, 2, , n ) x a a （3－9）
还原得：
u ?(0)(k +1)=(1-e a )[x (0)(1)-]e -ak ; (k =1, 2, , n ) x a （3－10）
这就是灰色简单模型的预测公式。
五：简单示例
(0)x ={29, 33, 34, 35, 37} 设有原始统计数列
第一步，累加生成1－AGO 系列行x(1)，并计算邻近均值系列z(1)
} x (1)={29, 62, 96, 131, 168
z (1) ={z (1)(2), z (1)(2), z (1)(2), z (1)(2)}={45. 5, 79, 113. 5, 149. 5}
?33??-45. 5?34??-79Y =??B =??35??-113. 5???37??，?-149. 5第二步，确定数据矩阵
第三步，计算模型参数 1?1??1??1?
?a ??=??=B T B a ?u ?()-1?-0. 0386148777?B T Y =???31. 00910735?
第四步，写出预测方程
)e 0. 0386k x (0)(k )=(1-e -0. 0386) (29+803. 0352339
小结：本章详细介绍了灰色系统和灰色模型，尤其对灰色GM （1.1）进行介绍，并用简单示例演示灰色模型的原理，但是灰色模型适合数据较少的预测，要作到对电力系统负荷预测的适用性强这个目的，还需要进行改进或多个模型综合使用，以求达到最佳预测精度。
3.2 误差的分析
3.2.1 误差的分析方法
下面提供几种常用的误差分析方法，本文主要应用后验差误差分析来判断模型的精度。
3.2.1.1 绝对误差与相对误差
?Y -Y
?表示预测值，Y -Y ?则称为绝对误差，Y 称为相对误差。设Y 表示实际值，Y
?Y -Y ?100%Y 有时相对误差也用百分数表示。这是一种直观的误差表示方法。在电力系统
中作为一种参考指标而经常使用。
3.2.1.2 后验差检验
后验差检验是根据模型预测值与实际值之间的统计情况，进行检验的方法，这是从概率预测方法中移植过来的。其内容是：以残差（绝对误差）ε为基础，根据各期残差绝对值的大小，考察残差较小的点出现的概率，以及与预测误差方差有关指标的大小。具体步骤如下：
设历史负荷序列为
(0) (0) (0) (0) x =x (1), x (2) , . . x . , (n )
{{
}}
设预测值序列为
(0) (0) (0) (0) ????x =x (1), x (2) , . . x . , (n )
记k 时刻实际值x
(0)
?(0) (k ) 之差为ε(k ) ，称为k 时刻残差 (k ) 与计算值（预测值）x
?(0) (k ) （k =1, 2,..., n ） ε(k ) =x (0) (k ) -x
(0)
x (k ), k =1, 2,..., n 的平均值为，即 记实际值
1n (0)
=∑x (k ) （3-11）
n i =1
其中，m 为预测残差数据的个数，一般有m ≤n 。 记历史数据（实际值）方差为s 1，即
12s 1 =n
2
(0) 2
(x (k ) -) ∑i =1n
2
（3-12）
记残差方差值为s 2，有
1m
(ε(k ) -) 2∑2
s 2=m k =1 （3-13）
则可得后验差检验的两个重要数据，即后验差比值c ，小误差概率p
c =
s 1
s 2
} （3-14） p =p ε(k ) -<0. 674s="">
指标c 越小越好，c 越小，表示s 1越大，而s 2越小。s 1大，表明历史数据方差大，历史数据离散程度就大。s 2小，表明残差方差小，残差离散程度小。c 小，表明尽管历
史数据很离散，而模型所得的预测值与实际值之差并不太离散。指标p 越大越好，p 越大，表示残差与残差平均值之差小于给定值0.6745s 1的点较多。按c 与p 两个指标，可以综合评定预测模型的精度。
由于经济预测是一种对未来某个经济指标的估算，因此各个模型都不可避免的存在误差。研究误差产生的原因，计算并分析误差的大小，是很有意义的。因此有必要提供误差分析方法，用来判断各种模型的可用性的优劣和程度。
3.2.2 影响负荷预测精确度的因素
世界经济增长的变化。自1973年世界石油危机之后，世界经济全球化，国际间经济形式复杂多变，其影响充满着不确定性。经济结构的调整。耗电大的第二产业比重逐年下降，相对耗电少的第三产业比重上升，使整个单位GDP 电耗水平不断降低。能源政策的调整。近年来积极推行绿色照明、节能电机、风机、水泵、蓄冷空调和热电冷联供的热电厂，都可以大量节约电量或容量；相反，由于前几年电力供求缓和，电力部门放宽了对空调、电炊具等耗电量大的家用电器的限制，又扩大了电力需求。电力和替代能源的价格。经济学理论认为，商品的价格主要是由供需关系决定的，也就是当供给量和需求量达到平衡时，便形成商品的价格。但商品的价格的变化反过来会影响需求量的变化。电力的价格（即电价）主要是指电力公司和电力用户之间的销售价格。电价的高低会影响电力需求的大小，不仅会影响居民生活用电需求，也会影响产业用电的需求，如近 2 年来，由于“两网同价”政策的贯彻执行，许多地方的电价降下来，用电量一下子就上去了。另外，电力与其它能源之间具有相互替代的特性。气候、人口因素的影响。由于世界气候异常，用于制冷和供暖的耗电量很大，而且多集中在一段时间里，往往成为夏季或冬季形成尖峰负荷的重要因素之一。同时，气候变化的不确定性极强，对电力需求预测产生极强的影响。人口数量的多少，也会明显影响电力需求，此外，人口结构、家庭规模、住宅小区的特性也会影响居民生活用电的需求。科学进步速度的影响。电力生产和电力消费科技的进步，一方面提高了能源利用效率，降低了电力损耗，使电力成本下降，电力和其它能源的比较效益，会促使国民经济发展和人民生活电气化水平提高；另一方面，在满足人们同等需求的条件下，可以节省电力。电力科技进步，对电力需求的影响有正有负，但总的说来，科技的进步总是朝着电气化的方向发展，但这种发展速度也具有不确定性。电力需求对管理的影响。近年来世界各国普遍采用了电力需求侧管理，认识到电力需求是可以改变的，在同样满足人们生产、生活需要的条件下，可以采取需求侧管理的措施，使电力负荷曲线发生较大的变化，使电力部门、用户和社会都获得利益。但需求侧管理也具有很大的不确定性[32]。
3.3 多元回归处理
3.3.1 回归模型预测技术
回归预测是根据负荷过去的历史资料，建立可以进行数学分析的数学模型。用数理统计中的回归分析方法对变量的观测数据统计分析，从而实现对未来的负荷进行预测。回归模型有一元线性回归、多元线性回归、非线性回归等回归预测模型。其中，线性回归用于中期负荷预测。优点是：预测精度较高，适用于在中、短期预测使用。缺点是：①规划水平年的工农业总产值很难详细统计；②用回归分析法只能测算出综合用电负荷的发展水平，无法测算出各供电区的负荷发展水平，也就无法进行具体的电网建设规划。
经济预测回归技术就是根据经济指标的历史资料，建立可以进行数学分析的模型，对未来的经济指标进行预测，从数学上看，就是用数理统计中的回归的分析方法，即通过对变量的观擦数据进行统计分析，确定变量之间的相关关系，从而实现预测的目的。回归预测包括线性回归预测和非线性回归预测。经济变量之间的关系，大体上可以分为两类：一类是函数关系；另一类统计相关关系，或者称随机关系。相关关系的基本特征是不确定性，一个变量不能依据其他有滚变量的数值，精确的，一一对应的求出其数值。但是我们可以根据大量统计数据，找出变量之间在数量变化方面的统计规律。这种统计规律旧叫回归关系。表示这种规律的数学公式称为回归方程。有关回归关系的计算方法和理论称为回归分析。
回归分析的主要内容是：
1) 根据样本观察值对模型参数进行估计，求得回归方程。 2) 对回归方程，参数估计值进行显著性检验。 3) 利用回归方程进行预测。
3.3.2 多元回归模型
回归分析模型是数量经济学领域中的主要预测模型之一，它在数量经济学领域的运用最为广泛，而且是其他统计模型的基础。一般认为，电力需求与经济环境紧密联系，但是不可能把所有的经济因素都考虑到回归模型当中去，因此，必须选择适当的变量。选择的变量一定要通过回归模型的参数检验。但将所有的选择自变量的工作都交给数学方法又是不明智的，因为我们必须考虑实际工作中的具体情况，可以首先根据经验选择不同的自变量子集，并力求该子集具有一定的物理意义，这样得出的预测模型不仅仅通过了检验，而且能够被预测人员接受，更可能取得好的预测结果。
在经济预测的实际问题中，常常会遇到经济指标受多种因素影响的情形。假设与负荷这个随机变量y 有相关关系的可控变量有p 个（p >1）：资料研究变量y 与变量
x 1, x , . . 2. , x p
，根据过去的历史
x 1, x 2,..., x p
之间的依赖关系的问题，就要考虑多元回归分析方法来
解决。在多元回归分析中，简单又重要的一种情况是多元线性回归分析问题。多元线性回归分析的原理与一元线性回归分析基本相同，在计算形式上比一元线性回归分析复杂的多，通常用计算机进行处理。由于我们在线性回归这主要研究一元线性回归问题和可转化为一元线性回归问题的非线性问题，故多元线性回归问题稍作介绍。 多元线性回归模型如下： 设
x 1, x 2,..., x p
是p 个线性无关的可控变量，是随机变量，他们之间的关系为
这里
y =b 0+b 1x 1+. . . . +. b . p x p +ε??
?2
?ε~N (0, σ) ?
b 0, b 1,......, b p , σ2
都是
x 1, x 2,......, x p
的未知参数，ε是随机误差，这就是元线性回归模
型。把上（1）式两端取数学期望，得
Ey= b0 + b1x1 +…,+bpxp （3-15）
显然Ey 是x1 , x2 , …,xp的函数，式（2）称为回归平面方程，其中b0 , b1 , …, bp 称为回归系数。
4灰色模型在邢台市用电量预测中的应用
4.1 1995~2005年邢台市用电量预测的实证分析
4.1.1 GM(1,1)灰色预测过程
现有邢台市1995~2005年用电量数据如表4-1所示, 用其进行GM(1,1)灰色预测实证分析"
由表1可得历史数据序列:
x (0)=x (0)(1), x (0)(2), , x (0)(k )=
{}
{384209} , 429613, 496335, 591538, 625575, 665378, 750252, 808806, 874837, 1050072
x 的1)AGO(一次累加生成序列) 为
x (1)=x (1)(1), x (1)(2), , x (1)(k )=
{}
{384209} , 429613, 496335, 591538, 625575, 665378, 750252, 808806, 874837, 1050072
采用GM(1,1),可计算得矩阵
A^ =
-0. ;
350432. 49. 33
即:a^=-0. 1013381752, u^=350432. 49. 33
则邢台市用电量GM(1,1)模型的时间响应函数模型为:
k
?(1)(k +1)=3805130. 13503e 0. 1013381752x -3458050. 135; (k =1, 2, , n )
经累减还原, 得其用电量的灰色预测模型为:
?(0)(k +1)=3805130x . 13503(1-e 0. 1013381752) e 0. 1013381752k ; (k =1, 2, , n )
邢台市用电负荷灰色预测模型建立之后, 为保证其预测的可靠性, 必须对该模型进行精确性检验"
4.1.2 后验差检验方法
具体如下:
取1996~2005年数据, 计算得知残差平均值为:
ε=1.56
历史数据方差为
s 12
=531210376.9
其中历史数据平均值
χ=46130.91
用上述随机所取的10年数据计算残差方差为:
2s 2
=6.86
c =
后验差比值为 小误差概率为:
s 1
s 2: =0.21
p =p ε(k ) -<0. 6745s="" 1}="0.91">0.8
按c 与p 这2个指标, 可以综合评定预测模型的精度, 如表4-3所示"
由此确定该模型的精度在一级与二级之间偏向一级, 可用此模型对邢台市用电量进行预测"2006~2010年各年度用电量的预测结果见表4"
4.1.3 邢台市需电状况预测结果的应用
根据表4结果, 结合邢台电网实际, 可对缺电形势进行分析并提出优化电网建设的规划方案"
1) 根据预测结果与邢台市十一五期间新增用电负荷! 新增变电容量! 装机容量对照分析预计邢台市严重的缺电局面将持续到2007年"
2) 结合未来华北电网竞价上网! 统一管理的市化要求和当前缺电形势, 必须对主干网架结构作全面分析, 并加强对电源和电网规划的协调和管理, 尽快实建设包括沙河输变电新建；清河、贾庄变电站扩建以及邢台电厂2台30万千瓦发电机组送出工程；新增220千伏变压器4台，总容量为66万千伏安，新增220千伏输电线路152千米；新建110千伏黄河、守敬、龙海等5个输变电工程，扩建固城店、东汪、西郭城等5座变电站。, 优化电网结构, 降低网络结构导致的供需矛盾, 消除电网瓶颈, 提高供电能力，届时，220千伏、110千伏高压主电网的供电能力将大幅提高，可有效缓解输电环节的紧张局面，为该市工农业生产和城乡居民生活用电提供可靠的电力输变保障体系。
3) 结合邢台市用电负荷的特点, 加强对地方重点! 典型行业发展趋势的调查分析, 密切关注国内外市场波动和宏观调控政策对各类产业活动, 特别是邢台高耗能行业电力需求的影响, 做好预测工作, 为公司的经营决策提供信息和依据" 4) 根据预测结果, 采取相应措施, 对小电厂! 自
备电厂既要挖掘潜力, 又要加强管理; 做到既减少对主系统安全的影响, 又不降低公司市场占有率"
5) 加强供电管理的力度, 建立电力危机应对机制, 加强需求侧管理, 有序供电, 合理限电"
4.2 与多元线性回归模型预测结果对比分析
4.2.1应用多元线性回归模型对1996~2005年各年度用电量进行预测
并综合表4-5数据可得预测结果
表4-5
对照表见表4-6
分析表4-6数据可知:从整体上看, 灰色模型较回归模型预测精确, 特别是2001~2005年,
预测结果更为理想, 这证实了灰色模型在X(N)后3位预测结果精确度高的特点" 但在2004
年回归预测的结果较灰色预测精度高, 这启示需要运用多种方法组合预测, 实现优势互补, 降低预测的风险性" 鉴于灰色模型预测4个数精确的特点, 估计2006年邢台市用电量将在1097643.88万千瓦时左右"
4.2.2 结论和建议
1) 一般建模是用数据列建立差分方程, 而灰色建模则是运用历史数据列累加后生成新的数据列, 再建立微分方程模型, 因此, 预测的精度较高"
2) 灰色预测具有要求数据少! 不考虑分布规律和变化趋势! 运算方便! 短期预测精度高等优点, 但也存在一定局限性"GM(1,1)模型预测具有X(N)后3个数精度较高的特点, 越远则越反映规划值" 因此, 实践中需要对灰色预测技术进行原始数列! 模型! 技术方法等方面的改进"
3) 灰色模型作为1种定量分析方法虽有一定预测精度, 但在工作实践中, 要预测成功, 关键在于对各种数据资料的科学归纳和分析, 对各种预测方法的深刻理解和灵活运用" 只有注重多种方法组合应用, 并结合实际进行定性综合分析, 确定出最为合理的预测区间, 才能提高预测的置信度和应用价值"
结论
电力负荷预测是计划用电的重要环节，它关系到：及时掌握负荷的发展势；正确贯彻、执行国家各个时期的方针政策，适应各个时期经济发展和社会进步对电力的需求；搞好计划用电、均衡用电；保证电网的安全、经济可靠运行；安排好系统的运行方式和检修计划。由于电力工业和其它产业不同，其产品——电能无法大量储存，电力的生产和消费必须在同一瞬间进行，电力部门应依据负荷预测的结果，安排运行计划以及系统规划等，这使得负荷预测成为电力公司降低成本，提高企业竞争力的关键因素。电能在国民经济各个行业和人民生活中占有很重要的位置。在供需矛盾突出的时期内，电力负荷预测尤显重要它是电力部门和政府经济、计划部门制定经济发展规划、供给计划、燃料计划等重要经营计划的基础。由于电力负荷反映的是用电设备瞬间耗用电力的情况，一个电网内用户的千差万别给负荷预测工作带来了很多的困难。负荷预测的生命力就在于预测的准确性。因此，预测值应尽量接近实际用电负荷。在做电力负荷预测时，应该考虑市场经济的发展动向。由于客观上存在着不能预测的经济动向等，预测值和实际状况产生差异是必然的。因此，应根据情况的变化不断的进行修正。
致 谢
灰色模型和多元线性回归分析组合在电力系统负荷预测中的应用是我本次毕业设计的中心内容。由于第一次应用灰色理论，又加上涉及的内容很抽象，相关的资料都处在研究阶段，具体的运算是很成熟，有大的难度。这给我的设计带来了很大的困难。但是在整个毕业设计过程中，由于**的耐心的指导和帮助，反复讲解才得以顺利完成，在此对**的关心、帮助表示衷心的感谢！
最后，对给予我帮助的同学也表示衷心的感谢！ 谢谢大家！
参考文献
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Theory ． The Journal of Grey System， 1991：V ol ．3， No ．2：87～106
范文三：电子密码锁(本科毕业设计完整版)
基于单片机的电子密码锁设计
摘要
在日常的生活和工作中,住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。若使用传统的机械式钥匙开锁，人们常需携带多把钥匙,使用极不方便,且钥匙丢失后安全性即大打折扣。在安全技术防范领域，具有防盗报警功能的电子密码锁逐渐代替了传统的机械式密码锁，电子密码锁具有安全性高、成本低、功耗低、易操作等优点。
本文从经济实用的角度出发，采用美国Atmel 公司的单片机AT89S51作为主控芯片与数据存储器单元，结合外围的矩阵键盘输入、LCD液晶显示、报警、开锁等，用C 语言编写的主控芯片控制程序与EEPROM AT24C02读写程序相结合，并用Keil 软件进行编译，设计了一款可以多次更改密码，具有报警功能的电子密码控制系统。
这种密码锁的电路设计具有防试探按键输入、智能控制上锁、开锁、报警、修改密码等多种功能。密码长度可变、保密性强、灵活性高、应用日益广泛。
关键词密码锁单片机报警LCD 显示
Design of Electric Password Lock Based on MCU
ABSTRACT
In the daily life and the work, the way to the house's and department's safe guard, unit's document file, the financial reporting as well as some individual material preservation almost need many locks. If we use tradition mechanical key to open, the people often must carry many keys, but it is not extremely convenient. If the key lost, the security will decline greatly. In the safety work guard domain, the lock with security warning function electronic combination have replaced the traditional mechanical combination lock gradually, the electronic combination lock have the highly security, the lowly cost , the lowly power wastage, easy to operate and so on merits. This article is based on the economical and practical point of view, uses the United States Atmel Corporation AT89S51microcontroller as a master chip and the data memory unit, it combines with the external matrix keyboard input, LCD digital display, alarm, unlock and so on circuits, dominates by the C programming language chip EEPROM of the control procedures and carries on the translation with Keil software ，the password can be changed many times, the electronic the password control also has the alarming function. This password lock circuit design has anti-test button input, intelligent control lock, unlock, alarm and change the password multiple functions. Password length can be changed, great security and high flexible than others, it is widely used .
Key Words ：Password lock ；MCU ；Alarm ；LCD Display
目
摘要
第一章绪论录
1.1电子密码锁简介………………………………………………………………1
1.2电子密码锁的发展趋势………………………………………………………1
1.3本设计所要实现的目标………………………………………………………2
1.4设计方案简介…………………………………………………………………2
第二章主要元器件介绍
2.1主控芯片AT89S51……………………………………………………………3
2.1存储芯片AT24C02……………………………………………………………6
2.3LCD1602显示器………………………………………………………………7
2.4晶体振荡器……………………………………………………………………8
第三章硬件系统构成
3.1设计原理………………………………………………………………………10
3.2电路总体构成…………………………………………………………………10
3.3电源输入电路…………………………………………………………………11
3.4键盘输入电路…………………………………………………………………12
3.5密码存储电路…………………………………………………………………12
3.6复位电路………………………………………………………………………13
3.7晶振电路………………………………………………………………………14
3.8显示电路………………………………………………………………………14
3.9报警电路………………………………………………………………………15
3.10开锁电路……………………………………………………………………15
第四章软件系统设计
4.1主程序流程图…………………………………………………………………17
4.2按键软件设计…………………………………………………………………18
4.3密码设置软件设计……………………………………………………………19
4.4开锁软件设计…………………………………………………………………20
第五章调试与实现
5.1硬件调试………………………………………………………………………21
5.2软件调试………………………………………………………………………21
5.3Pruteus 仿真…………………………………………………………………22结论与展望
致谢
参考文献
附录
第一章
1.1电子密码锁简介绪论
电子密码锁是一种通过密码输入来控制电路或是芯片工作，从而控制机械开关的闭合，完成开锁、闭锁任务的电子产品。它的种类很多，有简易的电路产品，也有基于芯片的性价比较高的产品。现在应用较广的电子密码锁是以芯片为核心，通过编程来实现的。其性能和安全性已大大超过了机械锁。其特点如下：
1) 保密性好，编码量多，远远大于弹子锁。随机开锁成功率几乎为零。
2) 密码可变，用户可以随时更改密码，防止密码被盗，同时也可以避免因人员的更替而使锁的密级下降。
3) 误码输入保护，当输入密码多次错误时，报警系统自动启动。
4) 无活动零件，不会磨损，寿命长。
5) 使用灵活性好，不像机械锁必须佩带钥匙才能开锁。
6) 1.2电子密码锁的发展趋势
日常生活和工作中，住宅与部门的安全防范、单位的文件档案、财务报表以及一些个人资料的保存多以加锁的办法来解决。目前门锁主要用弹子锁，其钥匙容易丢失；保险箱主要用机械密码锁，其结构较为复杂，制造精度要求高，成本高，且易出现故障，人们常需携带多把钥匙，使用极不方便，且钥匙丢失后安全性即大打折扣。针对这些锁具给人们带来的不便若使用机械式钥匙开锁，为满足人们对锁的使用要求，增加其安全性，用密码代替钥匙的密码锁应运而生。由于电子器件所限，以前开发的电子密码锁，其种类不多，保密性差，最基本的就是只依靠最简单的模拟电子开关来实现的，制作简单但很不安全，在后为多是基于EDA 来实现的，其电路结构复杂，电子元件繁多，也有使用早先的20引角的2051系列单片机来实现的，但密码简单，易破解。随着电子元件的进一步发展，电子密码锁也出现了很多的种类，功能日益强大，使用更加方便，安全保密性更强，由以前的单密码输入发展到现在的，密码加感应元件，实现了真真的电子加密，用户只有密码或电子钥匙中的一样，是打不开锁的，随着电子元件的发展及人们对保密性需求的提高出现了越来越多的电子密码锁。出于安全、方便等方面的需要许多电子密码锁已相继问世。但这类产品的特点是针对特定有效卡、指纹
或声音有效，且不能实现远程控制，只能适用于保密要求高且供个人使用的箱、柜、房间等。由于数字、字符、图形图像、人体生物特征和时间等要素均可成为钥匙的电子信息，组合使用这些信息能够使电子防盗锁获得高度的保密性，如防范森严的金库，需要使用复合信息密码的电子防盗锁，组合使用信息也能够使电子防盗锁获得无穷扩展的可能，使产品多样化，对用户而言是“千挑百选、自得其所”。可以看出组合使用电子信息是电子密码锁以后发展的趋势。
1.3本设计所要实现的目标
本设计采用单片机为主控芯片，结合外围电路，组成电子密码锁，用户想要打开锁，必先通过提供的键盘输入正确的密码才能将锁打开，密码输入错误有提示，为了提高安全性，当密码输入错误三次将报警。密码可以有用户自己修改设定，锁打开后才能修改密码。修改密码之前必须再次输入就的密码，在输入新密码的时候要二次确认，以防止误操作。
1.4设计方案简介
采用以单片机为核心的控制方案
由于单片机种类繁多，各种型号都有其一定的应用环境，因此在选用时要多加比较，合理选择，以期获得最佳的性价比。一般来说在选取单片机时从下面几个方面考虑：性能、存储器、运行速度、I/O口、定时/计数器、串行接口、模拟电路功能、工作电压、功耗、封装形式、抗干扰性、保密性，除了以上的一些的还有一些最基本的比如：中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内有无时钟振荡器、有无上电复位功能等。在开发过程中单片机还受到：开发工具、编程器、开发成本、开发人员的适应性、技术支持和服务等等因素[1]。基于以上因素本设计选用单片机AT89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，实现基本的密码锁功能。在单片机的外围电路外接输入键盘用于密码的输入和一些功能的控制，外接AT24C02芯片用于密码的存储，外接LCD1602显示器用于显示作用。当用户需要开锁时，先按键盘开锁键之后按键盘的数字键0－9输入密码。密码输完后按下确认键，如果密码输入正确则开锁，不正确显示密码错误重新输入密码，当三次密码错误则发出报警；当用户需要修改密码时，先按下键盘设置键后输入原来的密码，只有当输入的原密码正确后才能设置新密码。新密码输入无误后按确认键使新密码将得到存储，密码修改成功。
第二章
2.1主控芯片AT89S51
单片机AT89S51功能介绍主要元器件
AT89S51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，AT89S51芯片引脚图如图2-1所示。主要特性：
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命：1000写/擦循环
·数据保留时间：10年
·全静态工作：0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚说明：
下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。
1、主电源引脚V SS 和V SS
AT89S51芯片引脚图
V SS ——（40脚）接+5V电压；
V SS ——（20脚）接地。
2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS 单片机，此引脚应接地；对SHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。
XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS 单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。
3、控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS 引脚之间连接一个约8.2k 的下拉电阻，与V SS 引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。
V SS 掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM 的数据不丢失。当
V SS 主电源下掉到低于规定的电平，而VPD 在其规定的电压范围（5±0.5V）内，
VPD 就向内部RAM 提供备用电源。
②ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS 型的TTL 输入电路。对于EPROM 单片机（如8751），在EPROM 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。
③PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN 有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS 型的TTL 输入。
④EA/VPP （引脚）：当EA 端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PS （程
序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80S51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA 保持低电平时，则只访问外部程序存
储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA 脚须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。
对于EPROM 型的单片机（如8751），在EPROM 编程期间，此引脚也用于施加21V 的编程电源（VPP ）。
4．控制或与其它电源复用引脚RST/Vpd，ALE/PROG，PSEN和EA/Vpp。RST/Vpd当振荡器运行时。在此引脚上出现两个机器同期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位。
在VSS 掉电期间，此引脚可接上备用电源，由Vpd 向内部RAM 提供备用电源，以保持内部RAM 中的数据。
ALE/PROG正常操作时为ALE 功能（允许地址钱存），提供把地址的低字节锁存到外部锁存器。ALE引脚以不变的频率（振荡周期的1/6）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。ALE 端可以驱动（吸收或输出电流）八个LSTTL 电路。
对于EPROM 型单片机，在EPROM 编程期间，此引脚接收编程脉冲（PROG功能）。
PSEN 外部程序存储器读选通信号输出端。在从外部程序存储器取指令（或数据）期间；PSEN 在每个机器周期内两次有效。PSEN 同样可以驱动八个LSTTL 输入。
EA／VppEA 为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当EA 为高电平时，访问内部程序存储器（PS值小于4K）。当EA 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于EPROM 型单片机，在EPROM 编程期间，此引脚上加21VEPROM 编程电源（Vpp）。
5、输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）
①P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS 型的TTL 负载。
②P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出
电流）4个LS 型的TTL 负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX 捕捉、重装触发，即T2外部控制端。对EPROM 编程和程序验证时，它接收低8位地址。
③P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM 编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS 型的TTL 负载。
④P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MSS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS 型的TTL 负载。
作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。
值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
2.2存储芯片AT24C02
如图2-2为AT24C02的芯片引脚图。表2-1P3口管脚备选功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）/INT0（外部中断0）/INT1（外部中断1）T0（记时器0外部输入）T1（记时器1外部输入）/WR（外部数据存储器写选通）/RD（外部数据存储器读选通）
图2-2AT24C02的芯片引脚图
特点：低压和标准电压运行模式–2.7(VCC=2.7V to 5.5V) –1.8(VCC=1.8V to 5.5V)
内建128x8存储序列，2线制串行接口，双向数据传送协议，100kHz(1.8V,2.5V,2.7V)和400kHz(5V)兼容，写同步时钟(最大10ms)，高可靠性，极限：1M写时钟周期，数据保存:100年，不断推进的芯片等级扩大了设备的可用温度范围。
AT24C02提供电可擦除的串行1024位存储或可编程只读存储器(EEPROM)128字(8位/字)。芯片在低压的工业与商业应用中进行了最优化。
设备操作：
CLOCK 和DATA 变化：SDA管脚通常外部要拉高。SDA管脚上的数据只能在SCL 低期间改变。数据在SCL 高期间改变定义为一个开始或停止信号。
开始状态：在任何操作之前必须有一个开始信号----在SCL 为高时SDA 上产生一个下降沿。
停止状态：SCL 为高时SDA 产生一个上升沿是停止信号，停止信号后将停止所有通信。
在一个读的序列之后，停止信号将让EEPROM 进入备用电源模式。2.3LCD16022显示器
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。1602型LCD 显示模块具有体积小，功耗低，显示内容丰富等特点。1602型LCD 可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7和RS,R/W,EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
接口信号说明：
1602型LCD 的接口信号说明如表2-2所示。
表2-2LCD1602接口信号说明
1602型LCD 主要技术参数：显示容量:16×2个字符芯片工作电压:4.5—5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm1602型LCD 基本操作程序如下表所示：
表2-3LCD1602基本操作程序
2.4晶体振荡器
晶体振荡器，简称晶振，其作用在于产生原始的时钟频率，这个频率经过频率发生器的放大或缩小后就成了电脑中各种不同的总线频率。以声卡为例，要实现对模拟信号44.1kHz 或48kHz 的采样，频率发生器就必须提供一个44.1kHz 或48kHz 的时钟频率。如果需要对这两种音频同时支持的话，声卡就需要有两颗晶振。但是现在的娱乐级声卡为了降低成本，通常都采用SCR 将输出的采样频率固定在48kHz，但是SRC 会对音质带来损害，而且现在的娱乐级声卡都没有很好
地解决这个问题。现在应用最广泛的是石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，石英晶体振荡器也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC 谐振回路的晶体谐振元件。石英晶体振荡器广泛地应用在电视机、影碟机、录像机、无线通讯设备、电子钟表、单片机、数字仪器仪表等电子设备中。为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。在单片机中为其提供时钟频率。
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变形的振幅突然增大。
第三章
3.1
设计原理
硬件系统设计
本设计主要由单片机、矩阵键盘、液晶显示器和密码存储等部分组成。其中矩阵键盘用于输入数字密码和进行各种功能的实现。由用户通过连接单片机的矩阵键盘输入密码，后经过单片机对用户输入的密码与自己保存的密码进行对比，从而判断密码是否正确，然后控制引脚的高低电平传到开锁电路或者报警电路控制开锁还是报警，实际使用时只要将单片机的负载由继电器换成电子密码锁的电磁铁吸合线圈即可，当然也可以用继电器的常开触点去控制电磁铁吸合线圈。
本系统共有两部分构成，即硬件部分与软件部分。其中硬件部分由电源输入部分、程序、启动程序、关闭程序、建功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。
键盘输入
电源输入显示电路
AT89C51
复位电路
密码存储电
报警电路
晶振电路
开锁电路
图3-1电子密码锁原理框图
3.2
电路总体构成
在确定了选用什么型号的单片机后，就要确定在外围电路，其外围电路包
3.3
电源输入电路
压一般能满足要求。
其原理图如图3-2所示：
而5V 电源输入时往往伴有杂波，所以加一个2.2uF 的电容滤波。这样输出的电
括电源输入部分、键盘输入部分、密码存储部分、复位部分、晶振部分、显示部
分、报警部分、开锁部分组成，根据实际情况键盘输入部分选择4*4矩阵键盘，
显示部分选择字符型液晶显示LCD1602，密码存储部分选用AT24C02芯片来完成。
密码锁主要控制部分电源需要用5V 直流电源供电，其电路如图3-3所示，
POWER 图3-3电源输入电路原理图
图3-2
电路总体结构图
3.4键盘输入电路
由于本设计所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。采用的是
矩阵式按键键盘，它由行线和列线组成，也称行列式键盘，按键位于行列的交叉点上，密码锁的密码由键盘输入完成，与独立式按键键盘相比，要节省很多I/O口。本设计中使用的这个4*4键盘不但能完成密码的输入还能作特别功能键使用，比如清空显示功能等。键盘的每个按键功能在程序设计中设置。其大体功能（看键盘按键上的标记）及与单片机引脚接法如图3-4所示：
图3-4键盘输入原理图
3.5
密码存储电路
AT24C02是ATMEL 公司的2KB 字节的电可擦除存储芯片，采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2.5V，额定电流为1mA，静态电流10Ua(5.5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP 封装，使用方便。其电路如图3-5所示。
图中1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址，在AT89S51上它们都能接地，第5脚和第8脚分别为正、负电源。AT24C02中带有片内地址寄存器，每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个储存单元的读写，所有字节均以单一操作方式读取。3.6
复位电路
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，例如复位后PC＝0000H，使单片机从第—个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。在复位期间（即RST 为高电平期间），P0口为高组态，P1－P3口输出高电平；外部程序存储器读选通信号PSEN 无效。地址锁存信号ALE 也为高电平。根据实际情况选择如图2-8所示的复位电路。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键，在接通电源瞬间，电容C1上的电压很小，复位下拉电阻上的电压接近电源电压，即RST 为高电平，在电容充电的过程中RST 端电压逐渐下降，当RST 端的电压小于某一数值后，CPU脱离复位状态，由于电容C1足够大，可以保证RST 高电平有效时间大于24个振荡周期，CPU 能够可靠复位。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。当复位按键按下后电容C1通过R5放电。当电容C1放电结束后，RST 端的电位由R11与R15分压比决定。由于R11
图3-6复位电路原理图
3.7晶振电路
AT89C51引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容C2、C1按图3-7所示方
式连接。晶振、电容C2／C3及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容C1、C2的容量有关，但主要由晶振频率决定，范围在0～33MHz之间，电容C2、C3取值范围在5～30pF之间。根据实际情况，本设计中采用12MHZ 做系统的外部晶振。电容取值为20pF。
图3-7晶振电路原理图
3.8显示电路
为了提高密码锁的密码显示效果能力。本设计的显示部分由液晶显示器
LCD1602取代普通的数码管来完成。只有按下键盘上的开启按键后，显示器才处于开启状态。同理只有按下关闭按键后显示器才处于关闭状态。否则显示器将一直处于初始状态，当需要对密码锁进行开锁时，按下键盘上的开锁按键后利用键盘上的数字键0－9输入密码，每按下一个数字键后在显示器上显示一个*，输入多少位就显示多少个*。当密码输入完成时，按下确认键，如果输入的密码正确的话，LCD 子显示“RIGHT”，单片机其中P2.0引角会输出低电平，使三极管T2导通，电磁铁吸合，电子密码锁被打开，如果密码不正确，LCD显示屏会显示“ERROR”，P2.0输出的是高电平，电子密码锁不能被打开。通过LCD 显示屏，可以清楚的判断出密码锁所处的状态。其显示部分引脚接口如图3-8所示：
图3-8显示电路原理图
3.9
报警电路
报警部分由陶瓷压电发声装置及外围电路组成，加电后不发声，当有键按下时，“叮”声，每按一下，发声一次，密码正确时，不发声直接开锁，当密码输入错误时，单片机的P2.1引脚为低电平，三极管T3导喇叭发出噪鸣声报警。如图3-9所示：
图3-9报警电路原理图
3.10开锁电路
通过单片机开锁执行机构，电路驱动电磁锁吸合，从而达到开锁的目的。
其原理如图3-10所示。
返N
单片机微控制器
密码正Y
开锁驱动电路
电磁锁
图3-10密码锁开锁机构示意图
当用户输入的密码正确时，单片机便输出开门信号，送到开锁驱动电路，然后驱动电磁锁，达到开门的目的。其实际电路如图3-11所示。
电路由驱动和开锁两级组成。由D1、R12、Q1组成驱动电路，其中Q1可以选择普通的小功率三极管如8050、9018都可以满足要求。D1是开锁指示灯；由D2、C5组成开锁。其中D2、C5是为了消除电磁锁可能产生的反向高电压以及可能产生的电磁干扰。电磁锁的选用要视情况而定，但是吸合力要足够且有一定的余量。
在设计中，暂时用发光二极管代替电磁锁，发光管亮，表示开锁；灭，表示没有开锁。
图3-11开锁电路原理图
第四章软件程序设计
本系统软件设计由主程序、初始化程序、LCD显示程序、键盘扫描程序、键功能程序、密码设置程序、EEPROM读写程序和延时程序等组成。4.1主程序流程图
如图4-1为主程序流程图，开始接上电源，程序进行初始化设置，然后在键盘上输入密码，此系统进行键盘扫描，密码正确，开锁成功，密码错误3次出错报警，选择是否修改密码，若要修改密码，先输入旧密码，密码正确后设置新密码，错误时报警，需要两次确认新密码，确认后，密码修改成功，否则结束最终返回。然后启动程序，进行保护，再次在键盘上输入密码，系统进行扫描，如果和之前一样，则执行相同程序，如不是，则执行另一种程序。
开始
初始化输入密码
N
密码正Y
Y
开锁？
N
修改密N
返回
Y
修改程序开锁程序次数加1
N
次数>3？
Y
报警程序
图4-1主程序流程图
4.2按键软件设计
如图4-2按键功能流程图，在按键当中，有与输入、开锁、清除、设置、
确认的程序相对应的按键，并按顺序与输入的数相比较，当输入正确时，进入密码程序，错误时进行清除，输入两次新密码正确时，可进行重新设置密码，最后确认程序。
开始
Y
键值＝‘输入’？
密码输入程
序Y
开锁程序
Y
清除程序
N
键值＝‘开锁’？
N
键值＝‘清除’？
N
键值＝‘设置’？
Y
设置程序
N
Y
键值＝‘确N
返回
确认程序
图4-2按键功能流程图
4.3密码设置软件设计
如图4-3为密码设置流程图，开始按下设置键，输入旧密码，如果错误累
计三次，进行报警程序。如果输入正确，可以修改密码，确认后再次输入新密码，如果两次输入一样，则输入成功。如果两次输入的新密码不一样，则修改密码失败，重新返回设置新密码。
开始
按下设置
输入旧密码
N
所输入旧密
码正确？
输入次数加1
Y
输新密码
N
次数>3?
Y
报警程序
再次输新密
返回
N
两次新密码输入相同？
Y
设置成功
图4-3密码设置流程图
4.4开锁软件设计
如图4-4开锁流程图，开始时按开锁键，输入密码，如果输入正确，则开
锁成功。如果输入错误累计达到三次，则执行报警程序。
开始
初始化
按开锁键
输入密码
输入次数加1
按确认键
N
所输入密码
正确？
N
次数>3?
Y
报警程序
Y
开锁
返回
图4-4开锁流程图
第五章
5.1
硬件调试
调试与实现
单片机应用系统的硬件调试和软件调试是分不开的．许多硬件故障只有通过软、硬件联调才能发现,但一般是先排除系统中比较明显的硬件故障后才和软件一起联调。常见的硬件故障：(1)逻辑错误
硬件的逻辑错误是由于设计错误和焊接过程中的工艺错误而造成的,包括错线、开路、短路等,其中最常见的是短路故障。(2)元器件错误
元器件错误的原因有器件损坏或性能不符合要求,电解电容、二极管的极性接反或集成块装反等。(3)可靠性差
应用系统可靠性差的原因很多,如内部和外部的干扰、电压纹波系数过大、器件负载过重等均会造成系统的可靠性差。另外,走线和布置的不合理也会造成系统可靠性差。(4)电源故障
电源故障包括：电压值不符合设计要求、电源功率不足、负载能力差、纹波太重等。硬件调试办法
脱机调试是在加电前,先用万用表等工具,按图纸仔细核对线路是否正确,并对元器件的安装、型号、规格等进行仔细检查,特别焊接时有无走线之间相互短路等。5.2
软件调试
程序在KEIL C51上调试，采用模块程序设计技术,则逐个模块调好后再进行系统程序总调。
对于模块结构程序．要一个个子程序分别调试。调试时,一定要符合入口条件和出口条件,调试可用单步运行和断点运行方式,通过检查用者系统的CPU 现场情况、RAM的内容和I／O口的状态,检测程序执行结果是否符合设计要求,有
无循环错误、有无机器码错误以及转移地址的错误,同时,还可以发现系统中存在的硬件设计错误和软件算法错误。
各程序模块通过后,则可以把相关功能块连在一起进行总调。这个阶段若有故障,可以考虑各子程序运行时是否破坏了现场,缓冲单元、工作寄存器是否发生冲突,标志位的建立和清除是否有误,堆栈区是否有溢出,输入设备的状态是否正常等等,若用者系统是在开发机的监控程序下运行时,还要考虑用者缓冲单元是否和监控程序的工作单元发生冲突。
单步和断点调试后,还应进行连续调试,用以确定定时精度、CPU 的实时响应等问题。当全部调试和修改完成后,将程序固化到AT89S51中。进行整机调试。各功能实现则调试完成。5.3
Proteus 仿真
在硬件和软件都能实现的条件下，利用Proteus 进行仿真，通过不停的调试与改正，最后终于实现了密码锁的功能，Proteus仿真结果如图4-1所示
当连好各个模块电路的导线后，导入芯片程序，运行该密码锁仿真电路，通过按键可以进行密码锁的开锁，修改密码，错误密码3次以上报警的操作，LCD显示屏显示相应的操作现象，密码正确可以开锁，进而可以修改密码，密码错误三次以上由喇叭发出报警声，如果系统出现错误还可以通过复位电路进行复位。
总之，在原有的理论基础上，通过Proteus 能够成功的进行密码锁基本操作的仿真，实现了相关的功能。
结论与展望
以上为毕业期间所作的毕业论文---基于单片机的电子密码锁设计，它经过多次修改和整理，可以满足设计的基本要求。输入密码时，如三次输入错误，则进行报警，在输入时，LCD显示为“*”，在修改密码时，则显示数字。次设计还具有防盗功能，如对密码控制系统进行破坏，有报警功能。
通过对该课题的研究，加深对所学知识的理解，提高对课外知识的学习能力，增强知识的应用能力，提高解决实际问题的能力，培养自我创新意识。积累实践经验，为以后的发展打下基础，也为以后我们自己在这方面的发展打下基础，并能够在这方面培养自己的兴趣。
在设计中我们必须首先熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。以单片机核心的电路设计的基本方法和技术了解表关电路参数的计算方法。单片机不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。随着单片机的广泛应用，将大大促进各领域的技术更新，向自动化、小型化、智能化方向迈进。而对于我们来说，我们这代人的目标和任务是把这些高科技产品更升一个层次。
毕业设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。
通过这次毕业设计，无论从选题到定稿，从理论到实践都使我学到了很多东西，它不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。同时也明白了理论与实践相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
致谢
四年的大学生活不知不觉中就要结束了，在这段难忘的生活中，有许多美好的回忆，在毕业论文设计之中，我的老师和我的同学都不吝的指导我，我需要感谢的人太多太多，首先要感谢我的学校，感谢在这四年中让我领悟到诚实做人，踏实做事，扎实做学问的深刻道理，让我从一个懵懂得高中生变成一个成熟的大学生，其次我要感谢的是我的导师生芳老师。虽然生老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予我悉心的指导和帮助，关心我们每个阶段所做的工作，当然，还要感谢寝室的兄弟们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我度过了这四年的生活，感谢能有这段美好的记忆。
现在即将挥别我的学校、老师、同学，还有我四年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。最后，感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们的陪伴，才有我大学生活的绚丽多彩。
作者：
2011年5月9日
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-33.
[18]宁爱民.应用AT89C2051单片机设计电子密码锁.淮海工学院学报
2003,6
附
程序清单:
录
显示缓冲区LED1EQU 6FH BUFF EQU 6EH TIMERS1EQU 6DH ; 输入回车的次数TIMERS2EQU 6CH ; 报警的次数LED6EQU 6AH 密码缓冲区PS1EQU 69H PS2EQU 78H PS3EQU 67H PS4EQU 66H PS5EQU 65H PS6EQU 64H PS7EQU 63H PS8EQU 62H AT24C02读取缓冲区AT1EQU 61H AT2EQU 60H AT3EQU 5FH AT4EQU 5EH AT5EQU 5DH AT6EQU 5CH AT7EQU 5BH AT8EQU 5AH 按键标志位F_0BIT 20H F_1BIT 21H F_2BIT 22H F_3BIT 23H F_4BIT 24H F_5BIT 25H F_6BIT 26H F_7BIT 27H F_8BIT 28H F_9BIT 29H
CH_STATEBIT 2AH ; 系统更改的状态标志位，为1表示busy
FLAG1BIT 2BH ; 功能键标志位，为1表示功能按键。F_F1BIT 2CH F_F2BIT 2DH PSW_FBIT 2EH ; 密码是否正确的标志位
口资源定义
SPK BIT WP BIT SDA BIT SCL BIT P2.1P3.5P3.6P3.7; 定义串口数据端
ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH ;AJMP TIMER0ORG 001BH ;AJMP TIMER1ORG 0030H MAIN:MOVSP, #70HMOV TMOD, #11HMOV TH0, #3CHMOV TL0, #0B0HMOV TH1, #3CHMOV TL1, #0B0HCLR F_0; 清除标志位CLR F_1CLR F_2CLR F_3CLR F_4CLR F_5CLR F_6CLR F_7CLR F_8CLR F_9CLR BUF_FULLCLR CH_STATECLR FLAG1CLR F_F1CLR F_F2CLR PSW_FMOV BUFF,#00H; 调用LCALL INITPS ; 初始化环境LCALL INITAT LCALL XSA ; 调用默认显示MOV TIMERS1,#00HNOP MOV PS1, #11H; 初始化密码830620MOV PS2, #0AHMOV PS3, #02H
MOV PS4, #13HMOV PS5, #0BHMOV PS6, #02HSTART:NOPLCALL CH_KEYAJMP START
CH_KEY:LCALLKS JNZ LK1AJMP CH_KEYLK1:LCALL T12MS ACALL KS JNZ LK2RET ; 程序开始; 检查键盘; 返回; 检查有没有按键按下
LK2:NOP LCALL SBIE ; 按键识别子程序MOV BUFF, A ; 送缓冲区以识别是数字键还是功能键？LCALL CH_KF; 判断按键功能。JB FLAG1,KEY_FUN; 标志为1，则为功能键***********数字按键输入并且存放到缓冲区内等待比较******************KEY_DIG:NOP; 设一标志，辨别输入是否满;SETB TR0INC TIMERS ; 输入数字的位数MOV A, TIMERS CLR C SUBB A, #01HJNZ PS_2MOV PS1, BUFF ; 依照顺序存放密码AJMP NEXT PS_2:MOVA, TIMERS SUBB A, #02HCLR C JNZ PS_3MOV PS2, BUFF AJMP NEXT PS_3:MOVA, TIMERS CLR C SUBB A, #03HJNZ PS_4MOV PS3, BUFF AJMP NEXT
PS_4:MOVA, TIMERS CLR C SUBB A, #04JNZ PS_5MOV PS4, BUFF AJMP NEXT PS_5:MOVA, TIMERS CLR C SUBB A, #05JNZ PS_6MOV PS5, BUFF AJMP NEXT PS_6:MOVA, TIMERS CLR C SUBB A, #06HJNZ CH_KEYMOV PS6, BUFF NEXT:LCALLXSC MOV R7, TIMERS ; 比较输入的次数。CJNE R7, #06H,FULL FULL:JCNEXT9SETB BUF_FULLMOV TIMERS,#06HCLR L3NOP CLR P2.1LCALL T100MSD SETB P2.1NOP AJMP CH_KEYNEXT9:CLRP2.1; 密码输入一位，鸣叫一声。CLR L3LCALL T100MSD ; 延时100ms SETB L3SETB P2.1AJMP CH_KEY***************开门子程序******************************************CL:NOPSETB L3MOV BUFF, #00H; 消密码缓冲MOV TIMERS,#00HLCALL INITPS ; 消除AT 缓冲，调电存储后一定要加上LCALL XSC LCALL BP
LCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP CLR FLAG1AJMP CH_KEY
FU4:NOPLCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP CLR FLAG1AJMP CH_KEY
FU3:NOPLCALL BP LCALL T100MSD LCALL BP LCALL KILLXS ; 关闭显示CLR FLAG1AJMP CH_KEY
FU1:NOPLCALL XSC JB F_F1,NEXT_F1CLR L1LCALL BP SETB F_F1AJMP CH_KEYNEXT_F1:SETBL1LCALL BP CLR F_F1;LCALL CH_STATE;SETB TR1;INC F_F1CLR FLAG1AJMP CH_KEYFU2:NOP; 查看现在的状态以防误按; 报警限制暂时不开
JB F_F2,NEXT_F2CLR L2LCALL BP SETB F_F2AJMP CH_KEYNEXT_F2:SETBL2LCALL BP CLR F_F2CLR FLAG1AJMP CH_KEY**************各类子程序********************************注意清楚缓冲区时AT1...AT8不应在初始化中执行, 以防两缓冲区都为0, 相同开锁
********************************************************CLR_BUF:MOVR7, #06HMOV R0, #6FHLOOP1:MOVA, #00HMOV @R0,A DEC R0DJNZ R7,LOOP1RET *************初始化显示缓冲区以及其他缓冲区**************INITPS:PUSHACC PUSH PSW MOV R7, #06HMOV R1, #PS1MOV A, #00HINIT_PS:MOV@R1,A DEC R1DJNZ R7, INIT_PSPOP PSW POP ACC NOP RET
INITAT:PUSHPUSH MOV MOV MOV INIT_AT:MOVDEC DJNZ MOV ACC PSW R7,#06HR1,#AT1A, #00H@R1,A R1R7, INIT_ATTIMERS,#00H; 密码输入的次数清零。
POP PSW POP ACC RET ****************检验密码正误******************************C_PSW:PUSHPSW PUSH ACC MOV R2,#06HMOV R0,#PS1MOV R1,#AT1C_P:CLRC MOV A,@R0SUBB A,@R1JNZ RETURN DEC R0DEC R1DJNZ R2,C_PNOP SETB PSW_FAJMP EXIT7RETURN:CLRPSW_FEXIT7:NOPPOP ACC POP PSW RET ***************************锁定，鸣笛程序**********************LOCK_1M:MOVR4,#3CHM1_LOOP:LCALLSEC DJNZ R4,M1_LOOPNOP RET
WARN2S:PUSHPSW PUSH ACC MOV R5, #14HWARN:LCALLBP DJNZ R5,WARN NOP POP ACC POP PSW NOP RET BP:CLRSPK LCALL T100MSD ; 锁定1分钟; 调用20次BP, 报警2s ; 鸣笛子程序
SETB SPK NOP RET ********************************显示子程序***********************************
锁定状态显示。
XSA:PUSHACC PUSH PSW MOV A, TIMERS1MOV DPTR, #TABMOVC A, @A+DPTRMOV SBUF, A JNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #78HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #78HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #11HJNB TI, $CLR TI POP PSW POP ACC RET
成功开锁状态显示
XSB:PUSHACC PUSH PSW MOV A, TIMERS1MOV DPTR, #TABMOVC A, @A+DPTRMOV SBUF, A JNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $; 送已经输入密码的次数; 送短线; 送短线; 送F
CLR TI MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #10HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #10HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #10HJNB TI, $CLR TI POP PSW POP ACC RET
密码输入及修改状态
XSC:PUSHACC PUSH PSW LCALL KILLXS SETB RS1; 切换到第三组寄存器。防止操作数读取错误。MOV R6, TIMERS MOV A, R6SUBB A, #01HJNC SC0JZ SC1SC0:MOVSBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI SC1:MOVA, R6SUBB A, #02HJNC SC11JNZ SC2SC11:MOVSBUF,#0FEHJNB TI, $CLR TI SC2:MOVA, R6SUBB A, #03HJNC SC22JNZ SC22:MOVJNB TI, $CLR TI SC3:MOVA, R6
SUBB A, #04HJNC SC33JNZ SC4SC33:MOVSBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI SC4:MOVA, R6SUBB A, #05HJNC SC44JNZ SC5SC44:MOVSBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI SC5:MOVA, R6SUBB A, #06HJNC SC55JNZ SC6SC55:MOVSBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI SC6:MOVA, R6SUBB A, #07HJNC SC66JNZ EXIT_CSC66:MOVSBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI NOP NOP EXIT_C:NOPCLR RS1POP PSW POP ACC NOP RET 密码输入错误的提示XSD:PUSHPUSH MOV SBUF, #98HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #79HJNB TI, $
CLR TI MOV SBUF, #11HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #79HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #79HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #38HJNB TI, $CLR TI POP PSW POP ACC RET
锁定状态显示XSE:PUSHACC PUSH PSW MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #54HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #39HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #11HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #3DHJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #0FEHJNB TI, $CLR TI POP PSW POP ACC RET XSF:PUSHACC PUSH PSW MOV SBUF, #98HJNB TI, $
CLR TI MOV SBUF, #38HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #39HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #39HJNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #3DH;U JNB TI, $CLR TI MOV SBUF, #98HJNB TI, $CLR TI POP PSW POP ACC RET KILLXS:PUSHACC PUSH PSW MOV R7, #06HLOOP_XS:MOVSBUF, #0FFHJNB TI, $CLR TI DJNZ R7,LOOP_XSNOP POP PSW POP ACC RET TAB:DB 11H,0D7H,32H,92H,0D4H,98H,18H,0D1H,10H,90H ,0FFH ***********************************************************************24C02读写程序***************************************************************************AT_RADE:PUSHPSW PUSH ACC MOV R0,#AT1;CPU 首地址MOV R6,#06H;8字节LCALL READ ; 读数据NOP NOP POP ACC
POP RET PSW
AT_WR:PUSH PSW PUSH ACC MOV R0,#PS1MOV R6,#06HMOV R5,#08HMOV R7,#00HLCALL WRT NOP NOP POP ACC POP PSW RET ;CPU RAM 首地址;8字节;8BIT ;24C02RAM 首地址; 先写进
****************************************************************读串行器件R0:RAM的起始地址,R5:位计数器,
R6:读的字节数，R7:读的起始地址READ:NOP NOP LCALL START0MOV A,#0A0HLCALL WRB LCALL ACK JB F0,RD_FAILMOV A,R7LCALL WRB LCALL CHK JB F0,RD_FAILLCALL START0MOV A,#0A1HLCALL WRB LCALL CHK JB F0,RD_FAILRD_N:NOP NOP LCALL RDB MOV DJNZ R6,GO_ACKLCALL N_ACKRD_FAIL:NOPLCALL STOP
MOV A,#0FFHRET *************readGO_ACK:NOP NOP DEC R0LCALL ACK JMP RD_N
写串行器件R0:RAM的起始地址,R5:位计数器,
R6:写的字节数(页) ，R7:写的起始地址WRT:NOP NOP LCALL START0MOV A,#0A0HLCALL WRBYT LCALL CHK JB F0,WR_FAILMOV A,R7LCALL WRBYT LCALL CHK JB F0,WR_FAILWR_N:NOP NOP MOV A,@R0LCALL WRBYT LCALL CHK JB F0,WR_FAILDEC R0DJNZ R6,WR_NWR_FAIL:NOPLCALL STOP MOV A,#0FFHRET ;*********wrt;--------------------START0:NOP NOP SETB SDA SETB SCL NOP NOP CLR SDA NOP NOP CLR SCL NOP
RET ;-------------------STOP:NOP NOP CLR SDA SETB SCL NOP NOP SETB SDA NOP NOP CLR SCL NOP RET ;--------------------ACK:NOP NOP CLR SDA SETB SCL NOP NOP CLR SCL SETB SDA NOP RET ;--------------------N_ACK:NOP NOP SETB SDA SETB SCL NOP NOP CLR SCL CLR SDA NOP RET ;--------------------CHK:NOP NOP SETB SDA NOP NOP SETB SCL NOP
NOP MOV C,SDA MOV F0,C CLR SCL NOP NOP RET ---------------------RDB:NOP NOP SETB SDA MOV R5,#8RD_B:NOP NOP CLR SCL NOP NOP SETB SCL NOP NOP MOV C,SDA RLC A NOP NOP SETB SDA CLR SCL DJNZ R5,RD_BNOP RET
一字节数据发送子程序
WRBYT:MOV R5,#8WLP:RLC A JC WR1CLR SDA SETB SCL NOP NOP CLR SCL DJNZ R5,WLP RET WR1:SETB SDA SETB SCL NOP NOP
CLR SCL CLR SDA DJNZ R5,WLP RET --------------------WRB:NOP NOP MOV R5,#8WR_B:NOP NOP SETB SDA RLC A JC WR_1CLR SDA NOP WR_1:SETB SCL NOP NOP CLR SCL NOP CLR SDA NOP DJNZ R5,WR_BNOP RET ********************************************************************************************毫秒延时程序********************************************************************T10MSD:SETBRS0MOV R4, #12TM:MOVR3, #128TM6:DJNZR3, TM6DJNZ R4, TM CLR RS0RET
T100MSD:MOVD11:MOVD12:DJNZDJNZ RET R3, #200R4, #125R4, D12R3, D11
T500MSD:LCALLT100MSD LCALL T100MSD
LCALL LCALL LCALL NOP RET
SEC:SETBMOV SEC_LP:LCALLT100MSD T100MSD T100MSD RS1R7, #0AHT100MSD DJNZ NOP CLR RET END R7,SEC_LPRS1
范文四：机械电子工程系本科毕业设计
机械电子工程系本科毕业设计（论文）格式规范
一、本科毕业设计（论文）基本格式要求
1．论文正文用小四号宋体字，单倍行距。文内标题采用3级标注，即1，1.1，1. 1. 1。编辑和打印论文时一律使用规范的简化字，不得使用不合规定的繁体字、简化字、复合字、异体字或自造汉字。
2．论文正文每页加注页码。页码位置页面底端（页脚）居中，样式为“第X页”。
3．论文在打印时要求在每一页的正上方加页眉。内容为：“西安文理学院本科毕业设计（论文）”。字体格式为：五号楷体GB_23124．论文排版、打印一律用A4纸，单面打印。
5．论文页面设置要求：页边距为上3.5cm，下3cm，左侧（装订侧）2.5cm，右侧2.1cm；每页36行，页眉为2.5cm；页脚为2.0cm。
备注：机电系网站上提供“本科毕业设计（论文）标准模版”供毕业生下载使用。
二、本科毕业设计（论文）前置部分
1．中文摘要
简要说明研究工作的目的、方法、成果及新见解。中文摘要字数为300字左右。中文摘要中除个别英文缩写外，一律用汉字写成，不得出现公式、图、表和参考文献等。
2．英文摘要
①用词准确，使用本学科通用词汇；
②中、英文摘要的内容一一对应。
3．毕业设计（论文）中、英文摘要排版要求
①毕业设计（论文）中文、英文摘要不加页眉、页脚，不标页码；
②页面设置与正文要求相同；
③中文摘要排版要求：
论文题目用三号黑体，标题之前空一行，标题与内容提要之间空一行；“摘要”用四号楷体GB_2312，正文部分采用小四号宋体，单倍行距。
④英文摘要排版要求：
论文题目用三号Times New Roman，标题之前空一行，与其下内容提要之间空一行；“Abstract”用四号Times New Roman，内容采用小四号Times New Roman字体，单倍行距。
4．关键词
①关键词应选取能反映论文主体内容的词或词组（新学科的重要术语也可选用），每篇选取3～5个。
②中英文关键词应一一对应，分别排在中英文摘要下方。
③“关键词”用四号楷体GB_2312，英文“Key words”用四号Times New Roman。
5．目录
①目录中章、节号均使用阿拉伯数字，如章为1，分层次序为1.1及1.1.1等3个层次。章为小四号黑体字，节为小四号宋体字；
②目录中章节应有页号，页号从正文开始至全文结束；
③目录页码另编，并加页眉。
三、本科毕业设计（论文）主体部分
主体部分包括绪论、正文、结论、致谢及参考文献。
1．主体部分标题格式
第一章 （三号黑体、二倍行距）......（居中排）章节层次
1.1 XXX（四号黑体、1.5倍行距）......（居左，不接排）节级层次
1.1.1 XXX（四号楷体、1.5倍行距）......（居左，不接排）
三级标题后若再出现层次采用以下格式：
(1)XXX(小四号宋体)XX（接排） 条款层次
①XXX(小四号宋体)XX（接排）
2．绪论
绪论应简要说明研究工作的目的、范围、相关领域的前人工作和知识空白、理论基础和分析、研究设想、研究方法和实验设计，预期结果和意义等。应言简意赅，不要与摘要雷同，不要成为摘要的诠释。一般教科书中有的知识，在绪论中不必赘述。
3．正文
毕业论文的正文是核心部分，占主要篇幅，包括理论分析、数据资料、实验方法、仪器设备、材料原料、实验结果、现场试验与观测，以及图表，形成的论点和结论。
由于研究工作涉及的学科、选题、研究方法有很大的差异，对正文内容不能作统一的规定。但是，必须实事求是，客观真实，合乎逻辑，层次分明。论文不得模糊研究生与他人的工作界限，参考或引用了他人的学术成果或学术观点，必须在引用处注出参考文献序号，严禁抄袭、占有他人的成果。正文部分通常情况下应为1～2万字。
4．结论
结论是最终和总体的结论，不是正文中各段的小结的简单重复。结论应该准确、完整、明确、精炼。语句不能模棱两可，含糊其词。
可以在结论中提出建议、研究设想、仪器设备改进意见，尚待解决的问题等。
5．致谢
可在结论后对下列方面致谢：
①指导教师；
②在研究中提出建议和提供帮助的人。谢词谦虚诚恳，实事求是。
6．参考文献
（1）一般要求
①参考文献一般应是作者直接阅读过的对毕业论文有参考价值的发表在正式出版物上的文献，除特殊情况外，一般不应间接使用参考文献；
②参考文献应具有权威性，要注意应用最新的文献；
③引用他人的学术观点或学术成果，必须列在参考文献中；
④参考文献在整个论文中按出现的次序列出；
⑤参考文献的数量一般约在5～10篇；
（2）注释格式：
学术期刊 作者﹒论文题目﹒期刊名称，出版年份，卷号：页次
例如：
[1]杨盛标 许康﹒工程范畴演变考略﹒自然辩证法研究，2000，1：35
如果作者的人数多于3人，则只写第一位作者的名字后面加“等”。例如：
[2]何砟麻等﹒云南宇宙射线站奇特事例的再分析﹒中国科学，1995，A25：596
学术会议论文集 作者﹒论文题目﹒In（见）：文集编者姓名ed﹒（编，多编者用eds﹒）﹒学术会议文集名称，出版地：出版者，出版年份：页次
例如：
[3]司宗国 谢去病 王群﹒重子湮没快度关联的研究﹒见赵维勤，高崇寿编﹒第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集，北京：中国高等科学技术中心，1996：105图书 著者﹒书名﹒版本﹒出版地：出版者，出版年﹒页次。如果该书是第一版则可以略去版次。
例如：
[4]韩其智 孙洪洲﹒群论﹒北京：北京大学出版社，1987﹒101
预印本 作者﹒论文题目﹒预印本编号（出版年份）
例如：
[5]Xiaofeng Guo and Jianwei Qiu﹒The leading power corrections to the structure functions﹒hep—ph/9810548(1998)
专题科学报告 作者﹒专题科学报告题目﹒出版地：出版者，出版年份﹒页次
例如：
[6]Alexander G et al﹒Polarizationat LEP,European Organization for Nuclear Research，1998﹒2:129
7．论文中的插图、表格、公式
（1）插图
①所有插图按分章编号，如第一章，第3张图为“图1.3”，所有插图均需有图题（图的说明），图号及图题应在图的下方五号宋体加黑居中标出；
②一幅图如有若干分图，均应编分图号，用（a），（b），（c）．．．．．．按顺序编排；
③插图须紧跟文述。在正文中，一般应先见图号及图的内容后再见图，一般情况下不能提前见图，特殊情况需延后的插图不应跨节；
④图形符号及各种线型画法须按现行的国家标准；
⑤坐标图中坐标上须注明标度值，并标明坐标轴所表示的物理量名称及量纲（沿坐标轴指向顺序标出），应按国际标准（SI）标注，例如：kw，m/s，N.m等；
⑥提供照片应大小适宜，主题明确，层次清楚，照片一定要有放大倍数；
⑦图应具有“自明性”，即只看图、图题和图例，不阅读正文，就可理解图意； ⑧插图中须完整标注条件，如实验条件、结构参数等；
⑨图中用五号字；
⑩使用他人插图须注明出处。
（2）表格
①表格应按章编号，如第二章，第1张为“表2.1”，并需有表题（表的说明）。表内同一栏的数字必须上下对齐。表内不宜用“同上”“同右”“//”和类似词，一律填入具体数字或文字。表内“空白”代表未测或无此项；表号标题应在表的下方五号宋体加黑居中标出。
②表格的设计应紧跟文述。若为大表或作为工具使用的表格，可作为附表在附录中给出； ③表中各物理量及量纲均按国际标准（SI）及国家规定的符号和法定计量单位标注； ④使用他人表格须注明出处。
（3）数学、物理和化学式
①公式均需有公式号；公式号按章编排，如第二章，第3个公式为“式（2.3）”，公式居中，编号右对齐；
②公式中各物理量及量纲均按国家标准（SI）及国家规定的法定符号和法定计量单位标注，禁止使用已废弃的符号和计量单位；
③公式中用字、符号、字体要符合科学规范。较长的公式，转行时居中排列，转行只能在+、－、*、/处，上下式尽可能在等号“=”处对齐。
四、附录部分
附录是作为论文主体的补充项目，并不是必须的。
附录的内容包括：
①正文中过长的公式推导与证明过程可在附录中依次给出；
②与本文紧密相关的非作者自己的分析、证明等；
③在正文中无法列出的实验数据。
五、装订次序
1．封皮；
2．《本科毕业设计（论文）任务书》；
3．《本科毕业设计（论文）工作计划》；
4．《本科毕业设计（论文）开题报告》；
5．《本科毕业设计（论文）评审答辩表》；
6．中英文摘要；
7．论文正文；
8．致谢；
9．参考文献；
10．附录。
范文五：电子信息工程本科毕业设计论文
电子信息工程本科毕业设计论文
2007 届
专科生毕业设计资料
基于单片机的酿酒槽的温度检测与控制
学 院系 机电工程系
专 业 电子信息工程
学 生 姓 名 班 级 电信0701 指导教师姓名 周君芝 最终评定成绩
湖北国土资源职业学院教务处
二?一〇年六月制
基于单片机的酿酒槽的温度检测与控制
[摘要] 课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义设计了一种基于单片机的控制系统设计内容包括硬件和软件两个部分硬件电路以
AT89S52单片机为微处理器详细设计了温度信号采样电路键盘及显示电路温度控制电路报警电路时钟信号电路软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程PID参数整定采用的是归一参数整定法本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算输出控制信号给温度控制电路实现降温显示电路实现
现场温度的实时监控
工业生产中温度控制具有单向性时滞性大惯性和时变性的特征要实现温度控制的快速性和准确性对于提高产品质量具有很重要的现实意义
本课题针对温度控制的特点及实现准确温度控制的意义设计了一种基于单片机的控制系统设计内容包括硬件和软件两个部分硬件电路以AT89S52单片机为微处理器详细设计了温度信号采样电路键盘及显示电路温度控制电路报警电路时钟信号电路软件部分主要对PID算法进行了数学建模和编程PID参数整定采用的是归一参数整定法本设计由键盘电路输入设定温度信号给单片机温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算输出控制信号给温度控制电路实现降温显示电路实现现场温度的实时监控
本系统PID参数整定在MATLAB软件下SIMULINK环境中进行了仿真通过稳定边界法整定得到参数最终系统无稳态误差调节时间为30s无超调量各项指标均满足设计要求本系统实现简单硬件要求不高且能对温度进行时实显示具有控制过程的特殊性本设计提出了一种基于PID算法来实现恒温控制的温度控制系统主要是为了达到生产过程中对温度控制速度快准确性高等特点
[关键词]PID算法 温度控制
目录
ABSTRACT 3
第1章 绪论 4
12 方案的论证 6
com 方案一利用单片机实现酿酒槽的温度控制系统 6
13 设计方案 8
第2章 酿酒槽温度控制系统硬件设计 10
21 AT89S52单片机简介 10 22 温度传感器 12
23 键盘和显示电路 13
23(1 行列式键盘的接口 13 23(2行列式键盘的工作原理 14 23(3液晶显示的接口 14 23(4液晶显示的工作原理 14 24温度控制电路 16
25语言报警电路 17
25(1 ISD2560工作模式 17 25(1 ISD2560的连接图 17 第3章 酿酒槽温度控制系统软件设计 18
31 PID调节器控制原理 18 32 位置式PID算法 19
33 数字PID参数的整定 20 34 PID计算程序 22
35系统相关软件设计 28 com它部件的软件设计方案 28 com件设计框图 28
com的设计 29
com 主程序的起始地址及初始化 29
com lcd1602的显示控制 29
com DS18B20和lcd1602的子程序设计 30
com理子程序流程图 35
com理子程序设计 36
第4章 酿酒槽温度控制的系统调试 38
4 系统调试 38
42系统的软件调试 38
43系统的软件与硬件调试的特点 38
第5章 酿酒槽温度控制的设计总结 40
5设计总结 40
51 工作总结 40
52 工作展望 40
致谢 41
参考文献 42
ABSTRACT
Industrial production is a one-way temperature control delay the inertia and time-varying characteristics To achieve the rapid temperature control and accuracy improving the quality of products is a very important practical significance
The temperature control issues against the characteristics and achieve precise control of temperature Based on the design of a PID
temperature control system Design elements include hardware and software in two parts Hardware circuit to AT89S52 MCU for microprocessors for the detailed design of the microcontroller to provide electricity supply circuit Temperature signal sampling circuit keyboard and display circuits such as heating control circuit four circuit module Software major part of the PID algorithm is a mathematical modeling and programming PID tuning parameters are used to a fixed parameter The circuit design of the keyboard input from the set temperature signal to the microcontroller Temperature Signal Acquisition Circuit collect temperature signal to the microcontroller According to SCM input and feedback signal the error for PID the output control signals to the heating control circuit Heating and achieve stop Show circuit scene of the real-time monitoring of temperature
The system PID tuning parameters in MATLAB software under SIMULINK environment for the conduct of the simulation By stabilizing the border will be the entire law and parameters the end system without steady-state error and adjust to the 30s no overshoot all targets were met design requirements
The system is simple and hardware but also the real-time temperature with the particularity of the control process The design of a PID algorithm based on the temperature control to achieve the temperature control system the main aim is to achieve the production process for the temperature
control speed high accuracy
第1章 绪论
11 引言
电加热温度控制具有升温单向性大惯性大滞后性和时变性的特点例如其升温单向性是由于电加热的升温保温主要是通过电阻加热降温则通常是依靠自然冷却当温度一旦超调就无法用控制手段使其降温因而很难用数字方法建立精确的模型并确定参数应用传统的模拟电路控制方法由于电路复杂器件太多往往很难达到理想的控制效果由于无法用精确的数学方法来建立模型并确定参数本设计采用PID控制
目前工业自动化水平已成为衡量各行业现代化水平的一个重要标准同时控制理论的发展也经历了经典控制理论现代控制理论和智能控制理论三个阶段智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等而自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统一个控制系统包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口控制器的输出经过输出接口执行机构加在被控系统上控制系统的被控量经过传感器变送器通过输入接口送到控制器不同的控制系统其传感器变送器和执行机构都不一样比如压力控制系统要采用压力传感器而温度控制系统要采用温度传感器目前PID控制及其控制器或智能PID控制器已经很多产品已在工程实际中得到广泛的应用各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器其中PID调节器参数是自动调节是通过智能化调整或自校正自适应算法来实现有利用PID调节控制实现压力温度流量液位的控制能实现PID控制功能的有PLC和一些PC机
传统的PID控制电路结构复杂需配合相应的可控硅控制电路来完成功率的
调控针对它具有器件多生产成本高电路调试复杂的缺点本恒温自动控制系统的设计中应用AT89S52的单片机进行数字PID运算能充分发挥软件系统的灵活性在必要时针对PID算法进行修正使其更加完善固态继电器的功率调节电路极大地简化了执行电路与单片机的接口也变得十分的方便同时只需要更换不同输出功率的固态继电器就可满足不同功率加热系统的需要由于设计的系统对温度动静态指标要求要求不高允许有一定的温度偏差和允许调节的时间较长时最流行控制方法还是继电接触器控制系统若继电接触器控制系统PID控制器问世至今已有近70年历史它以其简单稳定性好工作可靠调整方便而成为工业控制的主要技术之一当被控对象的和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时控制理论的其它技术难以采用时系统控制器的和参数必须依靠经验和现场调试来确定应用PID控制技术最为和系统核心
图11 方案一的系统总体结构框图
温度采集电路以形式将现场温度传至单片机单片机结合现场温度与用户设定的目标温度按照已经编程固化的控制算法计算出实时控制量以此控制量系统运行过程中的各种状态参量均由
图13 方案三的系统结构框图
13 设计方案
控制模块的选择数字比较器与模拟控制器相比较数字比较器具有以下几个优点
1模拟调节器调节能力有限当控制规律较为复杂时就难以甚至无法实现而数字控制器能实现复杂控制规律的控制
2计算机具有分时控制能力可实现多回路控制
3数字控制器具有灵活性起控制规律可灵活多样可用一台计算机对不同的回路实现不同的控制方式并且修改控制参数或控制方式一般只可改变控制程序即可使用起来简单方便可改善调节品质提高产品的产量和质量
4采用计算机除实现PID数字控制外还能实现监控数据采集数字显示等其他功能综合考虑本设计控制模块采用数字PID调节器
对于方案一采用单片机实现恒温控制虽然该方案成本低可靠性高抗干扰性强但对于系统的动态性能与稳态性能要求较高的场合是不合适的而对于方案二采用PLC实现恒温控制由于PLC成本高且PLC是外围系统配置复杂不利于我们的设计由于数字PID调节运算量大只要选择合适的参数对于温度的控制精度往往能达到较好的效果为了使设计的成本低抗干扰强系统动态性能与稳态性能好的前提下设计方案的总体结构框图如图13所示通过单片机对偏差进行PID运算输出控制DA转换电路转换成08V电压信号来控制可控硅触发电路从而控制可控硅通断率通过调节加热功率即可达到控制温度恒定的目的
图13 设计总体结构框图
第2章 酿酒槽温度控制系统硬件设计
考虑到尽量降低成本和避免与复杂的电路此系统所用到的元器件均为常用的电子器件而主控器采用低功耗高性能片内含8k byte可反复檫写的Flash 只读程序器CMOS8位单片机AT89S52温度传感器采用DALLAS公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20采用控制端TTL电平即可实现对继电器的开关使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动单片机所需要的5V工作电源是通过220V交流电压通过变压整流稳压滤波得到实时控制的显示器键盘通过单片机来完成键盘扫描与输出动态显示采用具有微功耗外围接口简单精度高工作稳
定可靠等优点的ds12887实时时钟芯片
考虑到系统对传输速度的要求不高在PCA机上设定和实时显示温度系统配有RS232串行通讯端口下面对硬件电路作具体的设计
21 AT89S52单片机简介
com AT89S52单片机资源简介
AT89S52的结构如图21所示由于它的广泛使用使得市面价格较815582558279要低所以说用它是很经济的该芯片具有如下功能?有1个专用的键盘显示接口?有1个全双工异步串行通信接口?有2个16位定时计数器这样1个89S52承担了3个专用接口芯片的工作不仅使成本大大下降而且优化了硬件结构和软件设计给用户带来许多方便
89S52有40个引脚有32个输入端口IO有2个读写口线可以反复插除所以可以降低成本
主要功能特性兼容MCS51指令系统32个双向IO口3个16位可编程定时计数器中断2个串行中断2个外部中断源2个读写中断口线低功耗空闲和掉电模式8k可反复擦写 1000次Flash ROM
9256x8 bit内部RAM时钟频率0-24MHz可编程UART串行通道共6个中断源3级加密位软件设置睡眠和唤醒功能,口8位双向口线
, 口8位双向口线
,口8位双向口线
, 口8位双向口线
ALE 地址锁存控制信号
在系统扩展时ALE用于控制把口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来以实
现低位地址和数据的分时传送此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出正脉冲因此可作为外部定时脉冲使用
外部程序存储器读选通信号
在读外部ROM时 有效 低电平 以实现外部ROM单元的读操作
访问程序存储趋控制信号
但信号为低电平时对ROM的读操作限定在外部程序存储器而当信号为高电平时则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始并可延续至外部程序存储器
RST 复位信号
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效用以完成单片机的复位操作
和 外接晶体引线端
当使用芯片内部时钟时此二引线端用语外接石英晶体和微调电容当使用外部时钟时用于接外部时钟脉冲信号
地线
5V电源
com AT89S52单片机时钟和复位电路
时钟电路
单片机内部有一个高增益反向放大器输入端为芯片引脚输出端为引脚而在芯片外部和 之间跨接晶体振荡器和微调电容从而构成一个稳定的自激振荡器晶体震荡频率高则系统的时钟频率也高单片机运行速度也就快但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高对印制电路板的工艺要求也高所以这里使用震荡频率为6MHz的石英晶体震荡电路产生的震荡脉冲并不直接是使用而是经分频后再
为系统所用震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号在设计电路板时振荡器和电容应尽量靠近单片机以避免干扰需要注意的是电路板时振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近以减小寄生电容的存在更好的保障振荡器稳定可靠的工作电路图如图22所示
复位电路
单片机的复位电路分上电复位和按键复位两种方式
a上电复位
在加电之后通过外部复位电路的电容充电来实现的当的上升时间不超过1ms就可以实现自动上电复位即接通电源就完成了系统的初始化电路原理图RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间满足复位操作的要求
b 按键复位
程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时为了摆脱困境也需按复位键以重新启动RST引脚是复位信号的输入端复位信号是高电平有效按键复位又分按键脉冲复位图23和按键电平复位电平复位将复位端通过电阻与相连按键脉冲复位是利用RC分电路产生正脉冲来达到复位的
c 注意
因为按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的所以电平复位要将复位端通过电阻与相连如复位电路中RC的值选择不当使复位时间过长单片机将处于循环复位状态故本设计采用按键复位
22 温度传感器
温度测量转换部分是整个系统的数据来源直接影响系统的可靠性传统的温
度测量方法是温度传感器例如AD590将测量的温度转换成模拟电信号再经过AD转换器把模拟信号转换成数字信号单片机再对采集的数字信号进行处理[3]这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂滤波消噪难度大系统稳定性不高鉴于这些考虑本设计采用数字式温度传感器DS18B20
DS18B20支持一线总线接口测量温度的范围为-55?C,125?C现场温度直接以一线总线的数字式传输大大的提高了系统的抗干扰性DS18B20为3引脚 DQ为数字信号输入输出端GND为电源地VDD为外接供电电源输入端
温度采集电路模块如图24所示DSB8B20的3脚接系统中单片机的P14口线用于将采集到的温度送入单片机中处理2脚和3脚之间接一个47K上拉电阻即可完成温度采集部分硬件电路DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM温度传感器非挥发的温度报警触发器TH和TL配置寄存器S18B20中的温度传感器可完成对温度的测量以12位转化为例用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供以00625LSB形式表达其中S为符号位 Bit7 Bit6 Bit5 Bit4
Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4
MS Byte Bit15 Bit14 Bit13 Bit12 Bit11 Bit10 Bit9 Bit8
S S S S S 26 25 24 这是12位转化后得到的12位数据存储在18B20的两个8比特的RAM中二进制中的前面5位是符号位如果测得的温度大于0这5位为0只要将测到的数值乘于00625即可得到实际温度如果温度小于0这5位为1测到的数值需要取反加1再乘于00625即可得到实际温度
23 键盘和显示电路
键盘采用4×4的行列式键盘又叫矩阵式键盘用IO口线组成行列结构按键设置在行列的交点上4×4的行列结构可组成16个键的键盘因此在按键数量较多时
可以节省IO口线
23(1 行列式键盘的接口
行列式键盘的接口方法直接接口于单片机的IO口上如图25所示
图25 行列式键盘与单片机连接
23(2行列式键盘的工作原理
键盘设置在行列线的交点上行列线分别连接到按键开关的两端行线通过上拉电阻接，5V被拉在高电平状态
对键盘的工作过程可分两步第一步时CPU首先检查键盘上是否欧键按下第二步是再识别是哪一个键按下
检测键盘上有无键按下可采用查询工作方式定时扫描工作方式和中断三种工作方式
23(3液晶显示的接口
液晶显示的接口方法直接接口于单片机的IO口上如图26所示
图25液晶显示与单片机连接
23(4液晶显示的工作原理
显示采用DMC1602A LCM采用标准的14脚接口其中
第1脚VSS为地电源
第2教VDD接5V正电源
第3脚V0为液晶显示器对比度调整端接正电源时对比度最弱接地电源时对比度最高对比度过高时会产生鬼影使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度
第4脚RS为寄存器选择高电平时选择数据寄存器低电平时选择指令寄存器
第5脚RW为读写信号线高电平时进行读操作低电平时进行写操作当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据
第6脚E端为始能端当E端由高电平变成低电平时液晶模块执行命令
第7,14脚D0,D7为8位双向数据线
第5,16脚空脚
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令如表2所示
表21 指令表
指 令 RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 清显示 0
0 0 0 0 0 0 0 0 1 光标返回 0 0 0 0 0 0
0 0 1 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 1D S
显示开关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 光标和字符移位 0 0 0 0 0 1 SC RL 置功能 0 0 0 0 0 DL
N F 置字符发生存储器地址 0 0 0 0 1 字符发生存储器地址AGG 置数据存储器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址ADD
读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 AC 写数到CGRAM或DDRAM 1 0 要写的数 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据 它的读写操作屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的
指令1清显示指令码01H光标复位到地址00H位置
指令2光标复位光标返回到地址00H
指令3光标和现实模式设置ID光标移动方向高电平右移低电平左移 S屏幕上所有文字是否左移或右移高电平有效低电平则无效
指令4显示开关控制D控制整体显示的开与关高电平表示开显示低电平表示关显示C控制光标的开与关高电平表示有光标低电平表示无光标 B控制光标是否闪烁高电平闪烁低电平不闪烁
指令5光标或显示以为SC高电平时移动显示的文字低电平时移动光标
指令6功能设置命令 DL高电平时为4位总线低电平时为8位总线 N低电平时为单行显示高电平双行显示
指令7字符发生器RAM地址设置
指令8DDRAM地址设置
指令9读忙信号和光标地址 BF为忙标志高电平表示忙此时模块不能接受命令或者数据如果为低电平表示不忙
指令10写数据
指令11读数据
24温度控制电路
在控制系统中通过测定温度控制电磁阀进行洒水降温
直动式电磁阀
原理通电时电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起阀门打开断电时电磁力消失弹簧把关闭件压在阀座上阀门关闭
特点在真空负压零压时能正常工作但通径一般不超过25mm
分布直动式电磁阀
原理 它是一种直动和先导式相结合的原理当入口与出口没有压差时通电后电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起阀门打开当入口与出口达到启动压差时通电后电磁力先导小阀主阀下腔压力上升上腔压力下降从而利
用压差把主阀向上推开断电时先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件向下移动使阀门关闭
特点 在零压差或真空高压时亦能可靠动作但功率较大要求必须水平安装
先导式电磁阀
原理通电时电磁力把先导孔打开上腔室压力迅速下降在关闭件周围形成上低下高的压差流体压力推动关闭件向上移动阀门打开断电时弹簧力把先导孔关闭入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差流体压力推动关闭件向下移动关闭阀门
特点 流体压力范围上限较高可任意安装 需定制 但必须满足流体压差条件语音芯片在语音录放系统中的实际应用效果非常好而且编程也比较简单与其它一些数字语音芯片相比的突出特点是放音效果极佳能够非常真实自然地再现语音音乐音调和效果声另外使用该芯片也可自己设计电路实现录音操作使用十分方便
由于内置了若干种操作模式因而可用最少的外围器件实现最多的功能操作模式也由地址端控制当最高两位都为,时其它地址端置高可选择某个或某几个特定模式因此操作模式和直接寻址相互排斥具体操作模式见表,所列操作模式可由微控制器也可由硬件实现使用操作模式要注意两点所有操作最初都是从,地址 即存储空间的起始端 开始后续的操作根据选用的模式可从其它地址开始但是电路由录转放或由放转录,,模式除外或都执行了掉电周期后地址计数器将复位为,当,,变低且最高两地址位同为高时执行操作模式这种操作模式将一直有效直到,,再次由高变低芯片重新锁存当前的地址,模式端电平并执行相应的操作为止模 式 功 能 典 型 应 用 可组合使用的模式 M0
信息检索 快进入信息 M4M5M6 M1 删除WOM 在最后一条信息结束处放EOM M3M4M5M6 M2 未用 保留 NA M3 循环 从0地址连续放音 M1M5M6 M4 连续寻址 录放连续的多段信息 M0M1M5 M5 CE电平有效 允许暂停 M0M1M3M4 M6 按键模式 简化外围电路 M0M1M3
图31 PID控制系统原理框图
PID控制器是一种线性控制器一种它根据给定值rin t 与实际输出值yout t 构成控制偏差
Error t rin t -yout t
PID控制就是对偏差信号进行比例积分微分运算后形成一种控制规律即控制器的输出为
31
或写成传递函数的形式
32
左中 kp比例系数Ti积分时间常数T d微分时间常数
简单说来PID控制器各校正环节的作用如下[5]
比例环节成比例地反映控制系统的偏差信号error t 偏差一旦产生控制器立即产生控制作用以减小偏差
比例控制 Gc s Kp
积分环节主要用于消除静差提高系统的无差度积分作用的强尽弱取决于积分时间常数TiTi越大积分作用越弱反之则越强
积分控制 Gc s KpT is
微分环节反偏差信号的变化趋势变化速率并能在偏差信号变得太大之前在系统中引入一个有效的早期修正信号从而加快系统的动作速度减少调节时间
微分控制 Gc s KpT ds
32 位置式PID算法
基本PID控制器的理想算式为
33
式中
u t 控制器 也称调节器 的输出
e t 控制器的输入常常是设定值与被控量之差即e t r t -c t
Kp控制器的比例放大系数
Ti 控制器的积分时间
Td控制器的微分时间
设u k 为第k次采样时刻控制器的输出值可得离散的PID算式
34
式中
由于计算机的输出u k 直接控制执行机构如阀门u k 的值与执行机构的位置如阀门开度一一对应所以通常称式 2 为位置式PID控制算法
位置式PID控制算法的缺点当前采样时刻的输出与过去的各个状态有关计算时要对e k 进行累加运算量大而且控制器的输出u k 对应的是执行机构的实际位置如果计算机出现故障u k 的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化
33 数字PID参数的整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数积分时间和微分时间的大小PID控制器参数整定的方法很多概括起来有两大类一是理论计算整定法它主要是依据系统的数学模型经过理论计算确定控制器参数这种方法所得到的计算数据未必可以直接用还必须通过工程实际进行调整和修改二是工程整定方法它主要依赖工程经验直接在控制系统的试验中进行且方法简单易于掌握在工程实际中被广泛采用本设计采用PID归一整定法把对控制台三个参数KcTiTd转换为一个参数 从而使问题明显简化以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配满足某种反映控制系统质量的性能指标
com 采样周期选择的原则
1根据香农采样定理系统采样频率的下限为fs 2f此时系统可真实地恢复到原来的连续信号
2从执行机构的特性要求来看有时需要输出信号保持一定的宽度采样周期必须大于这一时间
3从控制系统的随动和抗干扰的性能来看要求采样周期短些
4从微机的工作量和每个调节回路的计算来看一般要求采样周期大些
5从计算机的精度看过短的采样周期是不合适的
6当系统滞后占主导地位时应使滞后时间为采样周期的整数倍
下表31列出了几种常见的被测参数的采样周期T的经验选择数据可供设计时参考实际上生产过程千差万别经验数据不一定就合适可用试探法逐步调试确定
表31 采样周期的经验数据表[10]
被测参数 采用周期Ts 备注 流量 1,,,,,KpTiTd对系统的性能影响如表33所示
表33 KpTi和Td对系统的影响
影响 Kp Ti Td 稳态性能 可以减少静差但不能消除 消除静差但不能太大 配合比例控制可以减少静差 动态性能 加快系统速度但会引起震荡 太小会不稳定太大会影响性能 太大和太小都会引起超调量大过渡时间长
34 PID计算程序
PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为
35
式中为调节器的输入误差信号且
36
其中为给定值为被控变量
为调节器的输出控制信号
为比例系数
为积分时间常数
微分时间常数
计算机只能处理数字信号若采样周期为T第n次采样的输入误差为且输出为PID算法用的微分由差分代替积分由代替于是得到
37
写成递推形式为
?
38
其中 39
310
311
显然PID计算?只需要保留现时刻以及以前的两个偏差量和初始化程
序初值通过采样并根据参数以及和计算?
根据输出控制增量?可求出本次控制输出为
? 312
由于电阻炉一般是属于一阶对象和滞后的一阶对象所以式中的选择取决于
电阻炉的阶跃响应曲线和实际经验工程上已经积累了不少行之的参数整定方法
本设计采用Ziegler-Nichols提出的 PID归一调整法调整参数主要是为了减少
在线整定参数的数目常常人为假定约束条件以减少独立变量的个数令
313
314
315
式中称为临界周期在单纯比例作用下比例增益由小到大是系统产生等幅振
荡的比例增益这时的工作周期为临界周期则可以得到
?
316
式中 02 125[8] 317
从而可以调节的参数只有一个可设计一个调整子程序通过键盘输入改变值改变运行参数使系统满足要求
下面对PID运算加以说明
所有的数都变成定点纯小数进行处理
算式中的各项有正有负以最高位作为符号位最高位为0表示为正数为1表示
负数正负数都是补码表示最后的计算以原码输出
双精度运算为了保证运算精度把单字节8位输入采样值和给定值都变成双字节16位进行计算最后将运算结果取成高8位有效值输出
输出控制量的限幅处理为了便于实现对晶闸管的通断处理PID的输出现在在0,都是没有意义的因在算法上对进行限幅即
318
PID的计算公式采用位置式算法计算公式为
319
PID计算的程序流程图图32所指示而参数内存分配表如表34所列
表34 参数内存分配表
存储单元 符号 说明 存储单元 符号 说明 3FH 高8位
38H 低8位 30H 低8位 39H 高8位 31H 给定值高8位 3AH 低8位 32H 给定值低8位 3BH 高8位 33H 高
8位 3CH 低8位 34H 低8位 3DH 高8位 35H 高8位
32EH 低8位 36H 低8位 3FH 高8位 37H 高8位
40H 低8位 图32 PID计算程序的流程图
参照流程图32编写程序程序如下
名称 float PIDprocess1
功能 PID adjust
说明
调用
输入 float xdata Yn float xdata Rn
返回值 deltaPn
float PIDprocess1
int data E_0
float data deltaPndeltaPideltaPpdeltaPdPsumCopy
E_0 SetTemperature1-CurrentTemperature1
if abs E_0 E
deltaPp float Kp E_0-E_11
deltaPd float Kd E_0-2E_11E_21
if deltaPd dPd deltaPd 0 deltaPn deltaPpdeltaPd
else
if abs E_0 E0
deltaPi float KiE_0 E-abs E_0 E-E0
else
小误差时的处理
deltaPi float KiE_0
if fabs deltaPi dPimin deltaPi 0
deltaPp float Kp E_0-E_11 deltaPd float Kd E_0-2E_11E_21
if deltaPd dPd deltaPd 0 deltaPn deltaPpdeltaPideltaPd
if fabs deltaPn dP
if deltaPn 0 deltaPn dP else deltaPn -dP
Psum1 deltaPn
PsumCopy Psum1
if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin
E_21 E_11
E_11 E_0
return PsumCopy
名称 float PIDprocess2
功能 PID adjust
说明
调用
输入 float xdata Yn float xdata Rn
返回值 Psum2
float PIDprocess2
int data E_0
float data deltaPndeltaPiPsumCopy
E_0 SetTemperature2-CurrentTemperature2
if abs E_0 E
deltaPn float Kp E_0-E_12 float Kd E_0-2E_12E_22
else
if abs E_0 E0
deltaPi float KiE_0 E-abs E_0 E-E0
else
小误差时的处理
deltaPi float KiE_0
deltaPn float Kp E_0-E_12 deltaPi float Kd E_0-2E_12E_22
if fabs deltaPn dP
if deltaPn 0 deltaPn dP else deltaPn -dP
Psum2 deltaPn
PsumCopy Psum2
if PsumCopy P PsumCopy P if PsumCopy Pmin PsumCopy Pmin
E_22 E_12
E_12 E_0
return PsumCopy
35系统相关软件设计
com它部件的软件设计方案
1每个模块的程序结构简单任务明确易于编写调试和修改
2程序可读行好对程序的修改可局部进行其它部分可以保持不变便于功能扩充
3对于使用频繁的子程序可以建立子程序库便于多个模块调用
com件设计框图
如图33所示
图32系统软件设计框图
根据设计要求首先要确定软件设计方案即确定该软件应该完成那些功能其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块以及每一个程序模块的具体任务是什嫫一般划分模块应遵循下述原则
1每个模块应具有独立的功能能产生一个明确的结果
2模块之间的控制参数应尽量简单数据参数应尽量少控制参数是指模块进入和退出的条件及方式数据参数是指模块间的信息交换方式交换量的多少及交换的频繁程度
3模块长度要适中模块太长时分析和调试比较困难失去了模块化程序结构的优越性模块太短则信息交换太频繁也不合适
com的设计
主程序的设计内容一般包括主程序的起始地址中断服务程序的起始地址有关存储单元及相关部件的初始化和一些子程序调用等等
com 主程序的起始地址及初始化
MCS-51系列单片机复位后PC 0000H而0003H,002BH分别为各中断源的入口地址所以编程时应在0000H处写一条跳转指令
com lcd1602的显示控制
显示屏的具体工作原理见流程图35所示
图33显示程序设计框图
com DS18B20和lcd1602的子程序设计
DS18B20和lcd1602一起的c程序设计如下
include
define uchar unsigned char define uint unsigned int
sbit DQ P37ds18b20与单片机连接口
sbit RS P30
sbit RW P31
sbit EN P32
unsigned char code str1[] "temperature "
unsigned char code str2[] " "
uchar data disdata[5] uint tvalue温度值
uchar tflag温度正负标志
lcd1602程序
void delay1ms unsigned int ms 延时1毫秒不够精确的
unsigned int ij
for i 0i msi
for j 0j 100j
void wr_com unsigned char com 写指令
delay1ms 1
RS 0
RW 0
EN 0
P2 com
delay1ms 1
EN 1
delay1ms 1
EN 0
void wr_dat unsigned char dat 写数据
delay1ms 1
RS 1
RW 0
EN 0
P2 dat
delay1ms 1
EN 1
delay1ms 1
EN 0
void lcd_init 初始化设置
delay1ms 15
wr_com 0x38 delay1ms 5
wr_com 0x08 delay1ms 5
wr_com 0x01 delay1ms 5
wr_com 0x06 delay1ms 5
wr_com 0x0c delay1ms 5
void display unsigned char p 显示
while p \0
wr_dat p
p
delay1ms 1
init_play 初始化显示
lcd_init
wr_com 0x80
display str1
wr_com 0xc0
display str2
ds1820程序
void delay_18B20 unsigned int i 延时1微秒
while i--
void ds1820rst ds1820复位
unsigned char x 0 DQ 1 DQ复位
delay_18B20 4 延时
DQ 0 DQ拉低
delay_18B20 100 精确延时大于480us DQ 1 拉高
delay_18B20 40
uchar ds1820rd 读数据
unsigned char i 0 unsigned char dat 0 for i 8i 0i--
DQ 0 给脉冲信号
dat 1
DQ 1 给脉冲信号
if DQ
dat 0x80
delay_18B20 10
return dat
void ds1820wr uchar wdata 写数据
unsigned char i 0
for i 8 i 0 i--
DQ 0
DQ wdata0x01
delay_18B20 10
DQ 1
wdata 1
read_temp 读取温度值并转换
uchar ab
ds1820rst
ds1820wr 0xcc 跳过读序列号 ds1820wr 0x44 启动温度转换 ds1820rst
ds1820wr 0xcc 跳过读序列号 ds1820wr 0xbe 读取温度
a ds1820rd
b ds1820rd
tvalue b
tvalue 8
tvalue tvaluea
if tvalue 0x0fff
tflag 0
else
tvalue tvalue1 tflag 1
tvalue tvalue 0625 温度值扩大10倍精确到1位小数
return tvalue
void ds1820disp 温度值显示
uchar flagdat
disdata[0] tvalue10000x30百位数
disdata[1] tvalue10001000x30十位数
disdata[2] tvalue100100x30个位数
disdata[3] tvalue100x30小数位
if tflag 0
flagdat 0x20正温度不显示符号
else
flagdat 0x2d负温度显示负号-
if disdata[0] 0x30
disdata[0] 0x20如果百位为0不显示
if disdata[1] 0x30
disdata[1] 0x20如果百位为0十位为0也不显示
wr_com 0xc0
wr_dat flagdat 显示符号位
wr_com 0xc1
wr_dat disdata[0] 显示百位
wr_com 0xc2
wr_dat disdata[1] 显示十位
wr_com 0xc3
wr_dat disdata[2] 显示个位
wr_com 0xc4
wr_dat 0x2e 显示小数点
wr_com 0xc5
wr_dat disdata[3] 显示小数位
主程序
void main
init_play 初始化显示
while 1
read_temp 读取温度
ds1820disp 显示
图34键盘程序设计框图
com理子程序设计
4乘4键盘程序设计如下
include
include
用于键消抖的延时函数 void delay
uchar t
for t 400t 0t--
键扫描函数
uchar keyscan void
uchar scancodetmpcode P2 0xf0 发全0行扫描码
if P20xf0 0xf0 若有键按下
delay 延时去抖动
if P20xf0 0xf0 延时后再判断一次去除抖动影响
scancode 0xfe
while scancode0x10 0 逐行扫描
P2 scancode 输出行扫描码
if P20xf0 0xf0 本行有键按下
tmpcode P20xf0 0x0f
返回特征字节码为1的位即对应于行和列 return scancode tmpcode
else scancode scancode 1 0x01 行扫描码左移一位
return 0 无键按下返回值为0
主程序
void main
uchar key
while 1
key keyscan 调用键盘扫描函数
delay
switch key
case 0x11
NUM0 1 第1行第1列选择正弦波输出 break
case 0x21 第1行第2列选择矩形波输出 LIGHTA 0
LIGHTB 0
break
case 0x41 第1行第3列选择三角波输出 LIGHTA 1
LIGHTB 0
break
defaultbreak
if NUM0
NUM0 0
LIGHTA 0
LIGHTB 1
第4章 酿酒槽温度控制的系统调试
4 系统调试
第一步上电准备
用万用表测试一下电源和地是否短路确保不短路的情况下准备上电
第二步 电源模块检测
主要检查电源芯片输出电压是否达到标称值
第三步核心芯片检测 对于这一块我觉得采用程序测试的方法看能否下载好
程序能否有输出等等
第四步 外围器件调试
在调试好的基础上再测试与周围器件的协调工作情况
总结一下两者的不同与相同
相同点
1都可以检测单片机执行时序下的片内资源情况如R0-R7 PC计数器等
2可以实现断点全速单步运行到光标等常规调试手段
不同点
1软件调试无法实现直接连接硬件电路的调试只能通过软件窗口虚拟硬件端口的电平输出情况而仿真器可以实现与单片机一样的功能的硬件连接从某种意义上说这个时候仿真器就是一个单片机
2软件调试执行单片机指令的时间无法与真实的单片机执行时间画上等号也就是说如果一个程序在单片机中要执行300us可能在计算机中执行的时间可能会比这个长很多而且无法预料仿真器则是完全与单片机相同
3软件调试只能是一种初步的小型工程的调试比如一个只有几百上千行的代码的程序软件调试能很好的完成如果是一个协调系统可能还需要借助几个单片机仿真器和相关的仪器才能解决
最后调试一般都是在发生错误与意外的情况下使用的如果程序能正常执行调试很多时候是用不上的所以最高效率的程序开发还是需要我们自己做好规范而不是指望调试来解决问题
第5章 酿酒槽温度控制的设计总结
5设计总结
51 工作总结
此次设计是对大学所学知识的一个简单综合测评通过这次设计的制作使我们对所学知识有了更进一步的理解和掌握我所做的酿酒槽的温度检测与控制系统能实现以下功能
1能够通过传感器采集当前温度使当前温度显示在液晶显示屏上
2能够通过PID算法控制当前温度不超过温度并且在一定范围内发出警报
3能够通过键盘设定当前日期等
52 工作展望
随着科技的进步自动控制系统已经成为工作生活不可缺少的一部分深入产业深入生活深入社会而温度控制又是自动控制不可缺少的一部分
致谢
在这次毕业设计过程中我知道光靠我个人的力量是不可达到的同时学给我们这个会师对我们导我的组员给帮这样将课设计顺谢学给我们这个会训会让我们有个动会让我们实践会谢师对我们导导我们让学会决问题的学给会条师热导学帮团结协作这次设计这谢学师还学们谢谢们[1] 康华光陈大钦 模拟电子电路〔〕(社[2] 赵茂泰 智能仪器原理及应用〔〕(社 [3] 黄贤武郑筱霞 传感器原理与应用〔〕([4] 清源计算机工作室 Protel99SE原理图与PCB及仿真〔〕(社[5] 黄坚 自动控制原理及其应用〔〕([6] 张晓华 控制系统数字仿真欲CAD〔〕(社[7] 王幸之钟爱琴王雷王闪 AT89系列单片机原理及接口技术〔〕(社[8] 李广弟朱月秀王秀山 单片机基础[M]北京北京航空航天大学出版社200615-40
[9] 赖寿宏 微型计算机控制技术[M]北京机械工业出版社200691-111
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数字式温度传感器 单
片
机
键 盘 液 晶 显 示 报 警 警
控 制 电 路 数字温度传感器 单
片
机
键 盘 液晶显示
DA
AD
PID电路
反馈电路
制冷原件
单
片
机
数字式温度传感器 键 盘 液 晶 显 示 报 警 温 度 控 制 电 路 数 字 时 钟 主 程 序
温 度 采 集 模
块
时
钟
模块
报
警
电
路
模
块
液
晶
显
示
模
块
键
盘
扫
描
模
块
温
度
控
制
模
块
开 始 有键闭合 延时去键抖动 扫描键盘 找到闭合键 计算键值 闭合键释放
结 束 建立有效标志 建立无效标志 N
Y
N
Y
N
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